Хемија уџбеник за 7 разред основне школе - 17360 by Zavod za udžbenike

ХЕМИЈА 7

Рецензенти проф. др Никола Вукелић, професор Факултета физичке хемије у пензији Иван Николић, професор биологије и хемије Маријана Легетић, професор хемије, Основна школа „Доситеј Обрадовић” у Опову Уредник ГОРДАНА ИЛИЋ Одговорни уредник СЛОБОДАНКА РУЖИЧИЋ Главни уредник др МИЛОРАД МАРЈАНОВИЋ

За издавача др МИЛОРАД МАРЈАНОВИЋ, в. д. директора

САША ВАТИЋ БИЉАНА АЛАВУКОВИЋ

ХЕМИЈА УЏБЕНИК ЗА 7. РАЗРЕД ОСНОВНЕ ШКОЛЕ

завод за уџбенике

САДРЖАЈ I. ХЕМИЈА КАО ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА НАУКА И ХЕМИЈА У СВЕТУ ОКО НАС 12 Предмет изучавања хемије 13 Везе између хемије и других наука 16 Примена хемије у различитим делатностима и свакодневном животу 17 Супстанца 19 II. ХЕМИЈСКА ЛАБОРАТОРИЈА 22 Хемијска лабораторија и експеримент 23 Лабораторијско посуђе и прибор 27 Лабораторијска вежба I: Основне лабораторијске технике рада: мешање, уситњавање и загревање супстанци 29 Физичка и хемијска својства супстанци 30 Лабораторијска вежба II: Физичка својства супстанци, мерење масе, запремине и температуре супстанце 32 Физичке и хемијске промене супстанци 33 Лабораторијска вежба III: Физичке и хемијске промене супстанци 37 III. АТОМИ И ХЕМИЈСКИ ЕЛЕМЕНТИ 38 Грађа атома: атомско језгро и електронски омотач 40 Атоми хемијских елемената и хемијски симболи 44 Атомски и масени број и изотопи 47 Електронски омотач 50 Периодни систем елемената 52 Племенити гасови 56 IV. МОЛЕКУЛИ ЕЛЕМЕНАТА И ЈЕДИЊЕЊА, ЈОНИ И ЈОНСКА ЈЕДИЊЕЊА 58 Ковалентна веза: молекули елемената 60 Ковалентна веза: молекули једињења 64 Атомска и молекулска кристална решетка 68 Јонска веза 70 Јонска кристална решетка 73 Лабораторијска вежба V: Упоређивање својстава супстанци са јонском и супстанци са ковалентном везом 74 Валенца. Хемијске формуле и називи 75 4

V. ХОМОГЕНЕ И ХЕТЕРОГЕНЕ СМЕШЕ 80 Смеше: вода и ваздух 82 Раствори 87 Растварање и растворљивост 88 Лабораторијска вежба VI: Испитивање растворљивости супстанци 92 Масени процентни састав 94 Раздвајање састојака смеша 98 VI. ХЕМИЈСКЕ РЕАКЦИЈЕ И ЈЕДНАЧИНЕ ХЕМИЈСКИХ РЕАКЦИЈА 104 Хемијске реакције 106 Закон о одржању масе 108 Једначине хемијских реакција 109 VII. ИЗРАЧУНАВАЊА У ХЕМИЈИ 114 Релативна атомска и релативна молекулска маса 116 Количина супстанце, мол и моларна маса 119 Закон сталних масених односа 122 Масени процентни састав једињења 124 Израчунавања на основу једначина хемијских реакција 127 Лабораторијска вежба IX: Мерење масе супстанце и израчунавање моларне масе и количине супстанце 130 VIII. ВОДОНИК, КИСЕОНИК И ЊИХОВА ЈЕДИЊЕЊА. СОЛИ 132 Водоник 134 Кисеоник – оксидација, сагоревање и корозија 139 Оксиди: хемијске формуле, називи и основна својства 144 Киселине: хемијске формуле, називи и основна својства 147 Хидроксиди (базе) 151 Мера киселости раствора – рН-скала 154 Лабораторијска вежба X: Испитивање киселинско-базних својстава раствора помоћу индикатора 157 Соли – формуле и називи 158 РЕЧНИК 162 Пројектни задаци 167

Dragi u~enici, Да ли сте се икада запитали шта је то што се налази око мене? Одлично! Управо је постављање питања први корак ка сазнању, и то не само хемије. Због тога ће у овом уџбенику неки поднаслови бити у форми питања на која треба дати одговор. Уместо готових решења, научићете да сами дођете до њих. Научићете како да посматрате природу кроз низ огледа. Неке огледе ћете моћи сами да урадите, а неке ћете извести уз помоћ наставника. Када добијете одговор, нећете добити потпуно објашњење и то је у реду. Оно што ћете добити јесте ново питање које ће вас водити до новог огледа и новог питања. Како бисте утврдили да сте одговор који сте добили разумели, на крају сваког поглавља налазе се брижљиво изабрана питања и задаци, који ће вам помоћи да утврдите своја открића. Куда води стално постављање питања? Постављање питања води ка одговорима и тумачењима одређених природних појава и процеса. Ови одговори су основ научних теорија. На вама је да покушате да их сами нађете, а хемија вам сигурно може помоћи у томе. Ми вам желимо пуно питања, одговора и пуно успеха. Срећно!

Autori

ВОДИЧ

КРОЗ

УЏБЕН НАЗИВ ЛЕКЦИЈЕ

I. ХЕМИЈА КАО ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА НАУКА И ХЕМИЈА У СВЕТУ ОКО НАС

ПРЕДМЕТ ИЗУЧАВАЊА ХЕМИЈЕ

вет у коме човек живи и којим је окружен одувек је био предмет његовог интересовања. Људи су с временом увиђали да су разне појаве и промене у том свету само наизглед хаотичне, али нису увек умели да објасне законитости по којима околина живи, мења се и развија. Зато су на различите начине пратили те промене и покушавали да их дефинишу. До неких сазнања долазили су лако, до неких случајно, а нека су им „измицала", без обзира на напоре које су улагали. Тако је настала и хемија, наука заслужна за велики напредак и олакшање многих аспеката живота људи.

Кључне речи хемија природна наука хипотеза експеримент

КЉУЧНЕ РЕЧИ

До сада сте извели толико експеримената и запазили толико хемијских промена, а да тога нисте ни свесни. Уколико сте икада видели пламен или ватромет, присуствовали сте хемијској промени. Уколико сте пекли колаче по рецептима, пржили јаје, користили батерије за разне апарате или се запитали од чега се састоје предмети у вашем окружењу, на путу сте прикупљања знања из области хемије. Један од корака на путу сазнавања јесте да сва своја запажања запишете, упоредите са другим хемичарима и усагласите своја мишљења. 12

ОСНОВНИ ТЕКСТ

НАЗИВ ТЕМЕ

ИК Овај водич омогућиће ти лакше коришћење уџбеника.

ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД ИЛУСТРАЦИЈЕ

СМЕШЕ ВОДА И ВАЗДУХ Кључне речи смеша хомогена смеша хетерогена смеша

Да ли је вода за пиће чиста супстанца? Хајде да то проверимо. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и на очаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препу стите наставнику. За овај оглед су вам потребни вода из чесме и де стилована вода, сахатно стакло, дрвена хватаљка и шпиритусна лампа. Ставите неколико капи воде из чесме на сахатно стакло, а затим загревајте над пламеном шпиритусне лампе и пажљиво пратите шта се догађа. На сахатном стаклу ће остати све оно што се нала зило растворено у води, а што није могло бити упарено. Поновите исти оглед са чистим сахатним стаклом и дестилованом водом. Објасните шта је то што је остало на сахатном стаклу након упара вања и запишите своја запажања.

Од чега се састоји ваздух који удишемо? Ваздух је хомогена смеша гасова. Иако је нама најважнији гас кисеоник, који се налази у ваздуху и који стално удишемо, он није и најзаступљенији. Најзаступљенији је азот, који је због своје троструке везе јако инертан и стабилан. Поред ова два гаса ту је и угљендиоксид, који излучујемо дисањем, мале количине племе нитих гасова, као и микроскопске честице прашине које се не могу видети голим оком. У ваздуху се налази и одређена количина воде, која је у гасовитом стању (воду у гасовитом стању називамо и

Слика 5.2. – Демонстрациони оглед упаравања воде са сахатног стакла.

Слика 5.3. – Различите врсте вода

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА VI ПИТАЊА И ЗАДАЦИ

Испитивање растворљивости супстанци

1. Шта су раствори?

Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам различити поларни и неполарни растварачи (вода, етанол, хексан, угљен-тетрахлорид) и супстанце које су вам доступне у складу с могућностима (натријум-хлорид, шећер, скроб, сунцокретово уље, сумпор итд.), као и чаше и епрувете. За огледе треба бирати супстанце којима се најмање утиче на животну средину. Унакрсно испитајте растворљивости одабраних једињења у растворима. Запажања детаљно запишите. Детаљна упутства за извођење вежбе налазе се у збирци Лабораторијске вежбе са задацима, страна 29.

2. Од чега се састоје раствори? 3. Заокружи слово испред појма који представља раствор: а) дим; б) магла; в) вода са чесме; г) водена пара. 4. Шта је растворљивост? 5. Како можемо поделити растворе према растворљивости? 6. Растворљивост калијум-перманганата у води на 30°С износи 9 g/100 g воде. Колико највише ове супстанце можемо растворити у 350 g воде на истој температури?

Слика 5.13. – Детаљ лабораторијске вежбе VI: испитивање растворљивости супстанци

Podsetnik P

Раствори су чврсте или течне хомогене смеше које се састоје од две или више чистих супстанци од којих се једна назива растварач, а остале растворене супстанце. Растварачем се сматра супстанца која је истог агрегатног стања као и раствор или која је у смеши у вишку уколико су сви састојци смеше истог агрегатног стања. Растварање је процес распоређивања (дисперговања) једне или више супстанци (растворених супстанци) у другој супстанци (растварачу). Растворљивост зависи од природе растварача и растворених супстанци и од температуре на којој се растварање врши. Растворљивост се изражава као маса супстанце која се може растворити у 100 g растварача при нормалним условима. Раствори могу бити незасићени, засићени и презасићени.

ПОДСЕТНИК

ИЛУСТРАЦИЈА ВЕЖБЕ

I. ХЕМИЈА КАО ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА НАУКА И ХЕМИЈА У СВЕТУ ОКО НАС

ПРЕДМЕТ ИЗУЧАВАЊА ХЕМИЈЕ

Кључне речи хемија природна наука хипотеза експеримент

Шта је то хемија? Хемија је наука, природна и експериментална. Природна значи да се бави процесима и појавама који се одигравају у природи свуда око нас. Експериментална (или огледна) значи да је њен основни начин истраживања кроз поступке проучавања узрочно-последичних односа. (О експерименту – огледу детаљно ћемо говорити на страни 23.) Tоком самих истраживања намерно се и контролисано изазива нека промена која се онда посматра, мери, и уредно и педантно бележе се сва запажања. Даље, та запажања истраживачи, у овом случају хемичари, међусобно упоређују и размењују мишљења о томе шта се заправо дешава. Да ли ја могу да будем хемичар? Одговор на ово питање ће вас заинтригирати… ВИ СТЕ ВЕЋ ХЕМИЧАРИ! До сада сте извели толико експеримената и запазили толико хемијских промена, а да тога нисте ни свесни. Уколико сте икада видели пламен или ватромет, присуствовали сте хемијској промени. Уколико сте пекли колаче по рецептима, пржили јаје, користили батерије за разне апарате или се запитали од чега се састоје предмети у вашем окружењу, на путу сте прикупљања знања из области хемије. Један од корака на путу сазнавања јесте да сва своја запажања запишете, упоредите са другима и усагласите своја мишљења. 13

Због чега је важно упоредити податке? Упоређивање података је од суштинске важности у тренуцима када су неке појаве јако опасне и могу нарушити наше здравље и понекада имати кобан исход! Због тога у хемији постоји низ правила понашања која чине безбедним истраживања и саме огледе. О томе ће више речи бити у следећим поглављима. Како урадити добар експеримент? Сваки научноистраживачки поступак се састоји од два дела. Хипотеза и експеримент су две основне фазе у научноистраживачком процесу. У првом делу поставља се хипотеза (од грчког υποθεσις – ХИПОТЕЗА ЕКСПЕРИМЕНТ hipotesis, што значи предлог) и често је у форми питања. Када смо поставили питање, приступамо експерименту (огледу). Експеримент је организован поступак научног истраживања којим се несумњиво и недвосмислено потврђује или одбацује постављена хипотеза. Правилно осмишљен и изведен експеримент Слика 1.1. – Основне фазе научноистраомогућава научнику да утврди да ли је оригинална хипотеза важивачког поступка лидна или не. Ако је хипотеза валидна, научник може са новим знањем да направи ново запажање и формира нову хипотезу која ће му помоћи да боље разуме природне процесе. У другим случајевима, експерименти често показују да је хипотеза нетачна и одбацује се или се мора изменити и захтева даље експерименте. И тако постављамо хипотезе и радимо експерименте и све више сазнајемо о томе шта је то што нас окружује и како функционише овај свет у коме се налазимо.

PodsetnikP Хемија је природна и експериментална наука која се проучавајући узрочно-последичне односе бави процесима и појавама који се одигравају у природи и лабораторији. Сваки научноистраживачки поступак састоји се из две фазе које се наизменично понављају, а то су хипотеза и експеримент.

ПРИЛОГ

Преглед важних личности и открића у хемији кроз историју Антика Демокрит (465. пре н.е.) Сугерисао је да материја постоји у облику честица и први је предложио термин „атоми”. Средњи век Алхемичари (~1000–1650) Тражили су универзални растварач, покушали да промене олово и друге метале у злато и покушали да открију еликсир који би продужио живот. Алхемичари су научили како да користе метална једињења и материјале биљног порекла за лечење болести. Сер Роберт Бојл (1637–1691) Формулисао је основне физичке и хемијске законе, предложио комбинацију малих честица за формирање молекула и увео разлику између једињења и смеша. XVII и XVIII век Антоан Лорен де Лавоазје (1743–1794) Сматра се оцем модерне хемије. Заслужан је за откриће азота. Описао је многа једињења. Први је доказао да се вода састоји од кисеоника и водоника. Алесандро Волта (1745–1827) Измислио је електричну батерију. Џон Далтон (1766–1844) Утемељивач је атомске теорије грађе материје. Увео је посебне симболе за хемијске елементе и једињења. Формулисао је Закон умножених масених односа. Амедео Авогадро (1776–1856) Предложио је принцип да једнаке запремине гасова садрже исти број молекула. Фридрих Кекуле (1829–1896) Открио је структуру бензена и један је од утемељивача органске хемије. Алфред Нобел (1833–1896) Изумитељ је динамита и оснивач међународне награде за достигнућа у хемији, физици и медицини (Нобелова награда). Дмитриј Мендељејев (1834–1907) Први је успешно саставио Периодни систем са елементима распоређеним у седам група (1869). Један од првих теоријских хемичара. XIX и XX век Сер Џозеф Џон Томсон (1856–1940) Доказао је постојање електрона. Марија Кири (1867–1934) Са супругом Пјером Киријем изоловала je радијум и полонијум и пружила фундаменталан допринос у проучавању радиоактивности. Једна је од ретких добитница две Нобелове награде, за хемију и за физику. Сер Александар Флеминг (1881–1955) Открио је антибиотик пеницилин. Сер Џејмс Чедвик (1891–1974) Доказао је постојање неутрона. Један од утемељивача модерних теорија о структури молекула. Вернер К. Хајзенберг (1901–1976) Један је од утемељивача модерних теорија о структури молекула.

ВЕЗЕ ИЗМЕЂУ ХЕМИЈЕ И ДРУГИХ НАУКА По чему се хемија разликује од других природних наука? Као што вам је већ познато кроз изучавање других природних наука, нема само хемија монопол на постављање питања о природи, већ то чине и биологија, физика и астрономија. Кључ за разумевање разлика у природним наукама јесте у томе која се питања постављају. Наиме, када присуствују једној истој појави, биолог, физичар и хемичар ће постављати различита питања, тражити различите одговоре и на различит начин објашњавати то што се догађа (слика 1.2). Осим воде, има ли других супстанци?

Ова вода је врућа!

Има ли живота у њој?

Слика 1.2. – Научници из различитих области различито приступају и објашњавају оно што се пред њима догађа.

Математику, физику, биологију и хемију називамо и базичним или фундаменталним наукама јер пружају основно разумевање природних процеса и феномена. Али, да ствар буде још интересантнија, ове науке се врло често преплићу и помажу једна другој. Биохемија и физичка физика хемија су науке које постављају слична питања као бибиологија геологија ологија и хемија или физика и хемија (слика 1.3). агрономија

Слика 1.3. – Повезаност наука

ХЕМИЈА

металургија

медицина

фармација грађевинарство

ПРИМЕНА ХЕМИЈЕ У РАЗЛИЧИТИМ ДЕЛАТНОСТИМА И СВАКОДНЕВНОМ ЖИВОТУ Какве су последице развоја природних наука? Јако је важно разумети да у својим трагањима научници, осим разумевања саме природе, често наилазе и на открића која могу имати непосредну употребну вредност. Она се огледају у побољшавању квалитета живота сваког од нас. Антибиотици, уређаји за пречишћавање воде, сапун за прање руку и паста за зубе, креме за лице, лак за нокте, сладолед, чоколада, одећа, обућа, паметни облакодери, мостови дуги километрима, свемирске ракете… Ништа од горенаведеног не би било могуће без сталног напретка, за који су заслужне управо природне науке. Како би се боље искористила открића која су модерне науке омогућиле, често се одређеним деловима баве високоспецијализоване дисциплине које називамо примењене науке. Примењене науке подразумевају могућност примене теоријских достигнућа фундаменталних наука у пракси. Развијеност основних и примењених наука је значајан показатељ нивоа развијености друштва и производи настали њиховим дејством су саставни део нашег окружења, са свим добитима и ризицима.

Кључне речи примењене науке

У чему се огледају ризици напретка науке? Резултати и открића ће у сваком случају бити корисни човечанству, али се могу и врло лако злоупотребити. Избор и одговорност је на оном ко та открића примењује.

PodsetnikP

Хемија спада у фундаменталне науке. Од других фундаменталних наука разликује се по областима истраживања, али се те области неретко преплићу. Многа открића, до којих се дошло истраживањима у области хемије, имају употребну вредност и утичу на побољшање квалитета живота.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је то хемија? 2. Чиме се бави хемија? 3. Објасни повезаност хемије са другим наукама и допринос хемије унапређењу квалитета живота. 4. Опиши фазе научноистраживачког поступка.

СУПСТАНЦА Ако погледате око себе, неминовно ћете поставити питање: Шта је то што ме окружује? Оно што је сигурно јесте да гледате у књигу из хемије за седми разред. Осећате папир под прстима и мирис папира, лепка којим је књига повезана, видите њене боје и осећате њихов мирис. Такође, примећујете њену масу и величину. Подсетите се онога што сте научили из физике. Све што постоји око нас је материја и она има два вида, два облика. То су супстанца и физичко поље.

Кључне речи материја супстанца физичко тело хемијски елемент хемијско једињење

Шта је супстанца? Супстанца је вид материје који изграђује сва физичка тела. Сама ова књига састоји се од различитих супстанци. Као и ти, као и сви остали предмети који те окружују. Хемија се бави управо супстанцом. Како хемија проучава супстанцу? Сва материја је у сталном кретању. Материја се никада не губи, она само може да мења свој облик, свој вид. Задатак хемије је да разуме од чега се састоји супстанца, и да опише и разуме законитости и услове под којима се промене супстанци дешавају. Од чега је састављена супстанца? Хајде да то сазнамо помоћу демонстрационог огледа. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД За овај оглед, или експеримент, није вам потребна заштитна опрема. Све што вам треба јесте парче графита, на пример графитно срце оловке (слика 1.4) или мина за техничку оловку. Пресеците парче графита напола. Затим једну половину поново поделите на четвртине, а четвртине на осмине и тако даље. Забележите на колико сте делова могли да поделите графит и покушајте да одговорите који је најмањи део графита. Како овај експеримент одмиче јако брзо, долазимо до нивоа када ножем не можемо да пресечемо даље. Истим проблемом на колико делова може да се подели било које физичко тело бавили 19

Слика 1.4. – Графитно срце оловке састоји се од атома хемијског елемента угљеника.

су се грчки филозофи Леукип (сл. 1.5) и његов ученик Демокрит (сл. 1.6) у IV и V веку пре н. е. Наиме, они су тврдили да је свет саграђен од бесконачног броја невидљивих и недељивих честица – атома (од грчког άτομος – atomos, ά (а) – не и τέμνω – temno – пресећи), у буквалном преводу честицe које се не могу пресећи. Међутим, те древне идеје су биле засноване на мисаоном огледу. Ипак, они су донекле били у праву. У њихову част се и данас ове честице називају атомима, иако сада знамо да се и они састоје од мањих честица. Тако се и графит из нашег огледа у ствари састоји од истих атома хемијског елемента угљеника. Хемијски елементи су једноставне чисте супстанце које се хе мијским процесима не могу разложити на једноставније супстанце. Колико има хемијских елемената? Слика 1.5.– Леукип (Leucipus), грчки филозоф

Хемијских елемената има 118. Од тога се око 90 њих могу наћи у природи. Преостали се могу добити под изузетним условима само у лабораторијама за хемију и физику. Комбинацијом два или више хемијских елемената добијају се хемијска једињења. Процес при коме се од елемената добијају једињења или обратно, од једињења елементи, називамо хемијским реакцијама. Како можемо знати да ли је нека супстанца елемент или једињење?

Слика 1.6. – Демокрит (Democritus), грчки филозоф

Хемијска једињења су сложене чисте супстанце које се састоје од два или више хемијских елемената међусобно повезаних у тачно одређеном односу. Уколико се нека супстанца састоји од честица само једног хемијског елемента или хемијског једињења, онда за њу кажемо да је то чиста супстанца. Уколико се супстанца састоји од комбинације два или више хемијских елемената или хемијских једињења која међусобно не реагују, односно између њих не долази до хемијских промена, за такву супстанцу кажемо да је смеша.

материја Слика 1.7. – Шема хемијских појмова

физичко поље 20

супстанца

Podsetnik P

Супстанца је облик постојања материје. Хемија се бави проучавањем састава, својстава и промена супстанци, као и законима по којима се те промене дешавају. Супстанца се састоји од веома ситних честица које називамо атоми, а супстанце сачињене од само једне врсте атома су хемијски елементи. Уколико се супстанца састоји од два хемијска елемента или од више њих, ради се о хемијском једињењу. Хемијски елементи и хемијска једињења су чисте супстанце. Више помешаних чистих супстанци називамо смеше.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је материја? 2. Који су облици материје? 3. Наведи по неколико супстанци од којих могу бити изграђена следећа физичка тела: а) сто; б) прозор; в) оловка; г) нaруквица. 4. Која је разлика између чисте супстанце и смеше? 5. Која је разлика између елемента и једињења? 6. У табели разврстај дате супстанце на елементе, једињења и смеше: кисеоник, ваздух, водоник, вода, шећер, сода бикарбона, детерџент. ЕЛЕМЕНТИ

ЈЕДИЊЕЊА

СМЕШЕ

II. ХЕМИЈСКА ЛАБОРАТОРИЈА

ХЕМИЈСКА ЛАБОРАТОРИЈА И ЕКСПЕРИМЕНТ Шта је то лабораторија?

абораторија (од латинске речи laborare, што значи радионица, па је од тога направљена изведеница laboratorijum) је место или објекат у коме се налази опрема и одговарајући прибор којима се изводе експерименти. Према томе, у самој хемијској лабораторији испитују се хипотезе које нам помажу да боље сазнамо хемијске законитости природе. Шта је то експеримент? Експеримент или оглед је намерно изазивање промена у одређеним условима ради њиховог посматрања, истраживања, праћења и проучавања. Пажљиво и предано посматрање појава које се дешавају око нас је у сржи сваког експеримента. Ако размислите, доћи ћете до закључка да сте и ви сами изводили експерименте толико пута до сада а да то нисте ни знали. Као што смо већ рекли, најпре морамо имати питање или хипотезу коју морамо да испитамо. Наиме, сваки процес који се догађа у природи има узрок и последицу. Наш задатак је да експериментом нађемо узрок неке природне појаве или да установимо шта се догађа након неке појаве и да опишемо њене последице. Следећа важна тачка сваког доброг експеримента је пажљиво записивање свих запажања, услова и узрока које повезујемо са последицама до којих је дошло пре, током и након самог експеримента.

Кључне речи лабораторија експеримент мерење мере опреза при раду

Како на прави начин уочити промене током експеримента? Све промене морају бити измерене. То је кључна тачка сваког експеримента. Слично као у физици, и у хемији се служимо мерењем како бисмо на прави начин видели колико и како се нешто променило или догодило. Због тога хемија такође користи Међународни систем мера. Познат је и као SI систем, што је скраћеница од француских речи Système international (d’unités) – Међународни систем јединица. Ово је разлог што је хемија тачна, односно егзактна наука, јер са базира на мерењу. Табела 1. Основне јединице SI система Величина

l m t T I

метар килограм секунд келвин ампер

m kg s K A

Количина супстанце

мол

mol

Интензитет светлости

кандела

Дужина Маса Слика 2.1. – Неколико мерних инструмената стандардизованих према међународном пропису, за мерење температуре, масе, дужине и електрична мерења

Слика 2.2. – Лого Међународног система јединица

Ознака величине Мерна јединица Ознака мерне јединице

Време Температура Јачина струје

Шта чини хемијску лабораторију? Основа сваке хемијске лабораторије су супстанце, мерни инструменти, хемијско посуђе и хемичари. Шта је најважније при извођењу сваког експеримента? Безбедност. Хемијска лабораторија требало би да буде осветљена, добро проветрена просторија, са исправним прикључцима за струју и гас. Неопходно је да буде опремљена и заштитним средствима, јер вршење огледа понекад подразумева и коришћење супстанци које, уколико се не користе по строго утврђеним правилима, могу имати негативне последице на особе које их користе и њихову околину.

Пронађите и забележите следеће ствари у вашој лабораторији или школи: • пожарне аларме, сигурносне знакове и упутства у случају незгоде или хитне ситуације; • поступке евакуације из лабораторије/школе; • сигурносну опрему лабораторије (комплете прве помоћи, апарате за гашење пожара, станице за прање очију и сигурносне тушеве – и како их правилно користити); • бројеве телефона за хитне случајеве које треба користити у случају опасности; • опасне супстанце означене одговарајућим знаковима упозорења. Као што сте могли да закључите, рад у хемијској лабораторији може бити јако опасан. Због тога је врло важно да се на време упознате са упутствима које вам могу помоћи уколико дође до неке незгоде. Како да избегнемо незгоде током рада у хемијској лабораторији? Ево неких мера опреза којих се увек треба придржавати како би сви били безбедни када раде у хемијској лабораторији. • Отворени пламен се никада не сме користити у лабораторији ако немате дозволу наставника. • Морате знати где се налазе излази и лабораторијски аларми. • Увек радите у добро осветљеним просторијама са добром проветреношћу. • Немојте жвакати жваку, пити или јести док радите у лабораторији и немојте мирисати супстанце. Мирис супстанце испитујемо махањем руком изнад посуде и усмеравањем паре супстанце према носу. Укус супстанце никад не проверавајте! • Стаклени лабораторијски прибор никада се не сме користити као посуда за храну или пиће. • Никада не користите лабораторијску опрему коју вам наставник није одобрио или вас није обучио како се са њом ради. • Никада не остављајте без надзора експеримент који је у току. • Никада не подижите стаклене предмете, растворе или друге врсте уређаја изнад нивоа очију.

• Током загревања супстанце у епрувети, отвор епрувете никако не окрећите према себи или некој другој особи. • Обавезно следите одговарајућа упутства наставника за одлагање лабораторијског отпада. Експлозивно Запаљиво Оксидујуће • Одмах пријавите све повреде, незгоде и поломљену опрему или стакло, чак и ако се инцидент чини малим или неважним. • Ако сте повређени, одмах и без оклевања затражите помоћ. • У случају да вам хемикалија прсне у очи, одмах исперите за хваћено подручје текућом водом. Гасови под • Ако приметите било какве несигурне услове у лабораторији, Корозивно Токсично притиском обавестите свог наставника што је пре могуће. • Током рада носите заштитни мантил, заштитну маску (када је то неопходно), заштитне наочаре и рукавице, а дуга коса би требало да буде везана, као на слици 2.4. Опасност по Озбиљна опасност Опасност по • Пре почетка рада упознајте се са супстанцама са којима ћете здравље по здравље животну средину радити. Неке од супстанци могу бити јако опасне те је врло важно да знате и симболе упозорења у облику слика – пиктограма Слика 2.3. – Симболи за хемијску опасност (слика2.3). Пиктограми су сликовни прикази на амбалажи производа, који нас упућују нас на потенцијалну опасност и појачан опрез при коришћењу тог производа. • Огледе изводите са малим количинама супстанце. За узимање чврстих супстанци увек користите чисте кашичице, а вишак супстанце одложите у за то предвиђене посуде. • По завршетку рада, радно место мора бити очишћено, посуђе и прибор опрани и сложени, а супстанце враћене на своје место.

Слика 2.4. – Заштитна опрема за рад са хемијским супстанцама

ЛАБОРАТОРИЈСКО ПОСУЂЕ И ПРИБОР Основна опрема која се користи у хемијским лабораторијама за извођење експеримената јесу лабораторијско посуђе и лабораторијски прибор. Лабораторијско посуђе чине посуде израђене од обичног или специјалног стакла, порцелана или пластике и служе за извођење огледа и чување хемикалија. Лабораторијски прибор чине помоћни предмети који служе за извођење огледа. Могу бити израђени од метала, стакла, пластике и гуме. 1. Baгa Користи се за мерење масе. 2. Стаклена чаша Служи за сипање, мешање и загревање течности. 3. Машице Користе се за хватање другог посуђа или опреме када их није могуће хватати рукама. 4. Пламеник Често се користи као извор топлоте, али искључиво у одсуству запаљивих материјала. 5. Керамичка шољица за упаравање У њој се загревају и упаравају течности. 6. Керамички лончић Користи се за загревање супстанци на високим температурама. 7. Глинени троугао Потпора лончићу или шољици током загревања. 8. Ерленмајер Стаклена посуда која служи за извођење експеримената са већим количинама супстанци, њихово меша ње и грубо одмеравање запремине течности. 9. Пинцете Погодне су за рад са малим објектима. 10. Стаклени левак Користи се за преношење течности или ситних материјала у посуде са малим отворима. Такође се користи за филтрирање. 11. Мензура Користи се за мерење запремине течности. 12. Аван и тучак Користе се за дробљење и уситњавање супстанци. 13. Пропипета То је гумени балончић за увлачење течности у пипету.

3 4 6

9 7

12 10 11

15 14

21 19

27 25

14. Сталак На њега се учвршћују клеме и муфови, који држе друго посуђе и опрему сигурно и без померања. 15. Муф Њиме се повезују клеме за сталак. 16. Клема Заједно са муфом и сталком држи посуђе и опрему. 17. Прстенаста клема Заједно са сталком и муфом служи за држање стакленог посуђа, попут левка. 18. Азбестна жица Користи се за држање посуђа, попут чаше, на прстенастој клеми или троношцу док се загрева. Центар је често од фибергласа или керамике. 19. Троножац Сталак за друго посуђе, посебно током загревања. 20. Шпатула Њоме се преносе чврсте супстанце. Могу бити израђене од различитог материјала (пластика, метал) и могу бити различитог облика. 21. Стаклени штапић Користи се за мешање. 22. Епрувета Користи се за држање и мешање супстанци. 23. Дрвена штипаљка Њоме се држи епрувета, посебно када је врућа. Често је у облику дрвене штипаљке. 24. Сталак за епрувете Намена му је за држање више епрувета одједном. 25. Термометар служи за мерење температуре, у степенима целзијуса. Треба избегавати коришћење термометара који у себи садрже живу, јер је она јако токсична. 26. Шприц боца У њој се држе течности и њоме се испира посуђе и лако додају мале количине. 27. Пипета Користи се за тачно мерење малих количина течности. Никад не пипетирајте устима! Користите пропипету. 28. Сахатно стакло Ово парче стакла је мултифункционално. На њега се могу стављати супстанце током мерења и експеримента или се њиме може прекрити чаша. 29. Дигестор Вентилациони уређај који је дизајниран да ограничи изложеност опасним или токсичним испарењима, парама или прашини.

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА I Основне лабораторијске технике рада: мешање, уситњавање и загревање супстанци Током извођења свих огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам различите супстанце и предмети, као и основна лабораторијска опрема по избору наставника. Детаљна упутства за извођење огледа наћи ћете у збирци Лабораторијске вежбе са задацима, страна 15. Пратите демонстрацију наставника о томе како се користи посуђе и прибор који се налазе у вашој хемијској лабораторији, а затим покушајте да и сами поновите технике које су вам демонстриране. Запишите у свеску сва своја запажања и детаљно опишите технике које сте радили.

Podsetnik P

Експеримент је поступак проучавања узрочно-последичних односа. Слично као физика, хемија је егзактна наука која се базира на мерењу. Хемијска лабораторија је про стор који омогућава извођење одговарајућих научно-истраживачких поступака. Хемијски експерименти могу да буду врло опасни и стога је изузетно важно знати правила понашања у хемијској лабораторији. Основна опрема која се користи у хемијским лабораторијама за извођење експеримената јесу лабораторијско посуђе и лабораторијски прибор, који могу да буду израђени од различитих материјала и врло је важно знати како се правилно користе.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Опиши основна правила понашања која морамо поштовати приликом рада у лабораторији. 2. Нацртај у свесци ознаке које могу стајати на реагенс-боцама (пиктограме) и наведи њихово значење. 3. Нацртај у свесци лабораторијско посуђе и прибор и наведи њихову намену: а) ерленмајер; б) епрувета; в) мензура; г) пипета; д) троножац; ђ) машице. 4. Наброј лабораторијско посуђе које се може користити за мерење запремине течности. Којим посуђем можемо најпрецизније одмерити запремину? 5. Шта је дигестор и чему служи? 29

ФИЗИЧКА И ХЕМИЈСКА СВОЈСТВА СУПСТАНЦИ Кључне речи физичка својства супстан це (боја, мирис, укус, агрегатно стање, температура топљења, температура кључања) хемијска својства супстанце

По чему се разликују физичка и хемијска својства супстанци? Рекли смо да у основи свих промена у природи постоје њихови узроци и последице. Физика и хемија се разликују по томе које узроке и последице посматрају у природним појавама. Пре него што почнемо да говоримо о физичким и хемијским променама, морамо разумети да у свакој промени учествују супстанце. Да ли ће нека промена бити физичка или хемијска зависи управо од својстава саме супстанце. Или, боље речено, да ли нека супстанца има способност да доведе до одређене промене. Каква су физичка својства супстанци?

Слика 2.5. - Вода у чврстом агрегатном стању – лед

Физичка својства укључују изглед, текстуру, боју, мирис, температуру топљења, температуру кључања, густину, растворљивост, поларитет и многа друга. Иако се та својства могу врло лако уочити, сваки научник ће увек то измерити, па се тако маса мери вагом, величина лењиром, температура термометром и тако даље. Готово све супстанце могу се јавити у три агрегатна стања: чврстом, течном и гасовитом (слике 2.5 и 2.6). У ком агрегатном стању и под којим условима се супстанца налази је физичко својство те супстанце. Физичко својство супстанце је и проводљивост електричне струје. Уколико нека супстанца проводи електричну струју, за њу кажемо да је проводник и често је саставни део свих уређаја који се заснивају на коришћењу електричне енергије. Уколико супстанца не проводи струју, онда је она изолатор. Такође, постоје и полупроводници, који струју проводе само под одређеним условима и на одређен начин. Као такви, користе се за израду процесора рачунара јер у контролисаним условима омогућавају формирање компликованих струјних кола у процесорима и меморијама. Магнетичност (слика 2.7) је још једно од физичких својстава супстанци, па тако разликујемо оне супстанце које магнетно поље привлачи или одбија, од оних на које магнетно поље не утиче. Слика 2.6. – Вода у течном агрегатном стању

Слика 2.7. – Пример магнетичности

Јако важно физичко својство је растворљивост, која представља способност неке супстанце да се раствори у некој другој супстанци. Према том својству се ова супстанца назива растворена супстанца, односно она која се раствара, а растварач је супстанца у којој растварамо. Каква су хемијска својства супстанци? За разлику од физичких, хемијска својства супстанци нису тако лако уочљивa. Та својства су у ствари способност неке супстанце да реагује са другим супстанцама. Запаљивост (слика 2.8) је једно од хемијских својстава супстанце и она зависи од хемијског састава саме супстанце. За разлику од физичких својстава, запаљивост и друга хемијска својства супстанци не могу се уочити пре него што дође до хемијске промене. Токсичност је такође хемијско својство супстанци и огледа се у потенцијалу да одређена супстанца узрокује тровање људи и животиња који су је унели у свој организам тако што су је појели, удахнули или апсорбовали преко коже. Због тога је врло важно познавати хемијска својства супстанци пре него што са њима дођемо у контакт, јер исход може бити непредвидив уколико не знамо са чиме радимо.

Слика 2.8. – Запаљивост је хемијско својство супстанце.

Слика 2.9. – Ватромет је последица хемијских својстава супстанце.

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА II Физичка својства супстанци, мерење масе, запремине и температуре супстанце Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам различите супстанце и предмети, као и основна лабораторијска опрема по избору наставника. Испитајте физичка својства одабраних предмета и супстанци и сва запажања запишите. Детаљна упутства за извођење вежбе наћи ћете на 17. страни збирке.

Podsetnik P За разлику од физичких својстава (нека од њих су изглед, текстура, боја, мирис, температура топљења, температура кључања, густина, растворљивост, поларитет и др.), хемијска својства представљају способност супстанци да реагују с другим супстанцама.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Објасни разлику између физичких и хемијских својстава супстанце. 2. Направи табелу у којој ћеш дата својства разврстати на физичка и хемијска: боја, запаљивост, агрегатно стање, температуре топљења и кључања. 3. Опиши физичка и хемијска својства: а) кухињске соли; б) злата; в) гвожђа. 4. Наброј неколико физичких својстава која се могу одредити: а) чулима; б) инструментима. 5. По којим физичким и хемијским својствима су слични, а по којим се разликују: а) гвожђе и бакар; б) кухињска со и злато?

ФИЗИЧКЕ И ХЕМИЈСКЕ ПРОМЕНЕ СУПСТАНЦИ Сада када знамо каква физичка и хемијска својства имају супстанце, време је да видимо неке од физичких и хемијских промена супстанци. Каква је разлика између физичких и хемијских промена супстанци? Приликом физичких промена, супстанце мењају своја физичка својства и унутрашњу структуру, али не долази до настанка нових супстанци. За разлику од физичких промена, током хемијских промена долази до промене почетних супстанци, при чему настају једна или више нових супстанци. Овај процес се још назива и хемијска реакција. Полазне супстанце које ће претрпети хемијску промену називају се реактанти, а нове супстанце које настају називају се реакциони производи.

Кључне речи физичка промена хемијска промена (хемијска реакција) реактанти реакциони производи

У чему се огледају физичке промене, а у чему хемијске?

РЕАКТАНТИ

ХЕМИЈСКА РЕАКЦИЈА

ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам аван са тучком, епрувете, штипаљке за епрувете, дестилована вода, кристал-шећер, шпиритусна лампа или пламеник. У једну епрувету сипајте 1 g кристал-шећера, а у другу 1 g шећера који сте претходно уситнили у авану. У обе епрувете си33

РЕАКЦИОНИ ПРОИЗВОДИ

Слика 2.10. –Стварање талога

пајте по 2 cm3 дестиловане воде и затим их добро промућкајте. Запазите у којој се епрувети шећер брже раствара и објасните зашто. У епрувету сипајте 2 g кристал-шећера, епрувету ухватите штипаљком, загревајте на пламенику и пратите промене супстанце. Када супстанца постане црна, престаните са загревањем и оставите епрувету да се охлади. Након што се епрувета охлади, у њу додајте 5 cm3 дестиловане воде и покушајте да садржај епрувете растворите. Своја запажања забележите и објасните да ли је у претходним огледима дошло до физичких или хемијских промена. Неке од хемијских промена као што су стварање талога, појава светлости, сагоревање или издвајање мехурића гаса, можете видети на сликама 2.10, 2.11, 2.12. и 2.13. Ако погледате око себе, ниједна ствар није отпорна на хемијске промене које се константно дешавају и омогућавају кружење материје у природи. Материја се не може уништити ни створити, али је она у константној промени из једног облика у други. Ово је једна од основних законитости природе.

Слика 2.11. –Промена боје уз стварање талога

Слика 2.13. –Издвајање мехурића гаса

Слика 2.12. –Појава светлости

Како знамо да је дошло до физичке промене? При физичким променама мењају се само физичка својства супстанце; врло често се супстанца после физичке промене може вратити у првобитно стање.

топљење течна супстанца

чврста супстанца очвршћавање кондензовање

испаравање сублимација *Сублимација је физичка промена супстанце из чврстог у гасовито агрегатно стање.

гасовита супстанца

Слика 2.14. – Примери физичких и хемијских промена супстанцењавање Кристализација шећера ФИЗИЧКА ПРОМЕНА

шећера ФИЗИЧКА ПРОМЕНА

Карамелизација шећера ХЕМИЈСКА ПРОМЕНА

35 Топљење гвожђа ФИЗИЧКА ПРОМЕНА

Кородирање гвожђа ХЕМИЈСКА ПРОМЕНА

Podsetnik P Приликом хемијских промена настају нове супстанце, што не важи за физичке промене. Хемијска реакција је промена у структури полазних супстанци (реактаната) и представља настајање нових супстанци (реакционих производа) које се по саставу и својствима разликују од полазних супстанци.

Савијање магнезијумове траке ФИЗИЧКА ПРОМЕНА Паљење магнезијумове траке ХЕМИЈСКА ПРОМЕНА

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Која је разлика између физичких и хемијских промена? 2. Направи табелу у којој ћеш дате промене разврстати на физичке и хемијске: печење хлеба, испаравање воде, гужвање папира, паљење папира, варење хране у желуцу, сечење хлеба, цеђење лимуна, труљење лишћа, млевење кафе. 3. На који начин можемо уочити да је дошло до хемијске промене? 4. Заокружи слово испред хемијске промене: а) топљење метала; в) рђање;

б) ковање;

г) извлачење метала у танке жице и фолије.

5. Заокружи слово испред физичке промене: а) топљење леда; в) сублимација јода;

б) кристализација кухињске соли из воденог раствора; г) фотосинтеза.

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА III Физичке и хемијске промене супстанци Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребне различите хемијске супстанце које су вам на располагању (на пример, цинк и раствор хлороводоничне киселине или натријум-хидрогенкарбонат и етанска киселина за огледе издвајања гаса; раствори олово(II)-нитрата и кaлијум-јодида или бакар(II)-сулфата и натријум-хидроксида за огледе издвајања талога; хартија и сахарозa за огледе промене боје реактаната; магнезијумска трака за оглед сагоревања метала), основно лабораторијско посуђе као што су епрувете, сахатна стакла, хватаљке, шпиритусне лампе, сталци. Процес карамелизације шећера

Да бисте боље увидели физичке и хемијске промене, испитајте шта ће се догодити уколико супстанце помешамо или их изложимо промењеним условима као што је повишена температура (слика 2.15). Запажања детаљно запишите.

Карамелизовани шећер у коме је почео процес угљенисања Слика 2.15. – Излагање супстанце повишеној температури Kарамелизовани шећер се дими на површини посластице крем-бруле (creme brulee)

III. АТОМИ И ХЕМИЈСКИ ЕЛЕМЕНТИ

та су атоми? Већ смо видели да је супстанца сачињена од малих недељивих честица које називамо атоми. Све што је материјално сачињено је комбинацијом разних атома који су у сталној међусобној интеракцији. Материја стално циркулише у простору и прелази из једног облика у други, а за атоме можемо рећи да су основ изградње материје. Ипак, тврдња да су атоми недељиви није тачна. О томе како и зашто, и да ли су Демокрит и Леукип заиста били у праву, дискутоваћемо у овом поглављу.

Слика 3.1. – Елемент бром у свом природном (течном) облику

ГРАЂА АТОМА: АТОМСКО ЈЕЗГРО И ЕЛЕКТРОНСКИ ОМОТАЧ Кључне речи атомско језгро електронски омотач протони електрони неутрони елементарна (субатом ска) честица

Како знамо да је супстанца изграђена од атома и да ли су Демокрит и Леукип били у праву? Да бисмо тачно одговорили на ово питање, морамо приметити да још увек са сигурношћу не знамо шта је у основи материје. Одговор на ово питање се стално мења с напретком науке и технике, од античких времена до данас. Вратимо се у прошлост, у четврти век пре нове ере, на трг у Абдери (слика 3.2). Филозофи посматрају свет око себе, расправљају од чега је сачињен и преиспитују Леукипову идеју да у универзуму постоје само празан простор и атоми, да су атоми невидљиво мали, чврсти, вечни и да различите комбинације атома у простору сачињавају објекте који се могу осетити, видети, јести, чути, мирисати. Многи се не слажу са његовом идејом, али је Демокрит, Леукипов ученик, као прави филозоф и научник ту идеју

Слика 3.2. – Рафаело Санти, Атинска школа, ремек-дело сликарства ренесансног периода које приказује водеће филозофе и научнике из периода античке Грчке

потанко записао. Много година касније, почетком 19. века у Манчестеру, хемичар и физичар Џон Далтон (слика 3.3) је, сакупљајући експерименталне податке са другим научницима, приметио да се неке супстанце комбинују по маси у тачно одређеним односима. Одмах је знао да ово откриће потврђује хипотезу о атомима. Џозеф Џон Томсон је 1897. године у Кембриџу открио честице које имају негативно наелектрисање и које су назване електрони. И он је предложио нов модел – Томсонов модел атома или модел „пудинга са шљивама” (слика 3.5). Наиме, на основу пажљиво вођених експеримената указао је на то да је атом позитивно наелектрисана куглица, јако малог полупречника, с равномерно распоређеним електричним наелектрисањем, а да се у њему налазе негативно наелектрисани електрони, слично пудингу у коме се налазе насумични комади шљиве. Ово откриће представља прекретницу у изучавању атома јер се показало да атом није недељив и да се састоји од још мањих субатомских честица. Почетком 20. века, док је са својим колегама радио на честицама које имају позитивно наелектрисање, названим алфа-честицама, Ернест Радерфорд је помислио да постоји проблем са његовом апаратуром. Наиме, када су пропуштали алфа-честице кроз златну фолију, приметили су да се неке од њих одбијају, па су помислили да нешто није у реду са самом апаратуром. На крају су схватили да у атому постоје и честице које имају позитивно наелектрисање. Због тога су предложили Радерфордов или планетарни модел атома (слика 3.7), према коме се атом у неутралном стању састоји од електрично позитивног атомског језгра, у ком се налази готово сва маса атома, и одређеног броја електрона који се окрећу око атомског језгра и чине омотач атома. Укупно негативно електрично наелектрисање које потиче од електрона из омотача једнако је позитивном електричном наелектрисању атомског језгра, што атом чини неутралним. Мада постоје и други савременији модели атома, онај модел са којим ћемо се за сада задовољити предложио је дански физичар и филозоф Нилс Бор (слика 3.8). Јако је сличан планетарном моделу с том разликом што се у језгру, осим позитивно наелектрисаних честица протона, налазе и неутрални неутрони који имају готово идентичну масу. Око језгра круже електрони којима је маса јако мала, готово занемарљива.

Слика 3.3. – Џон Далтон (John Dalton), енглески хемичар и физичар, творац атомске теорије и његов модел молекула

Слика 3.4. – Симболи елемената које је користио Џон Далтон

Како изгледа атом? На примеру хелијума видећемо како изгледа један атом. Он се састоји од језгра у коме се налазе два протона и два неутрона. Протони имају позитивно наелектрисање и обележавамо их са p+, а неутрони су неутрални и обележавамо их са n0. Заједнички назив им је нуклеони. Као што је указао Нилс Бор, они носе масу самог атома. Око њих круже два електрона (e-), који имају негативно наелектрисање, али им је маса јако мала и зато се занемарује. Значи, атоми су неутралне честице, различитих маса (маса неког атома зависи од броја честица које се налазе у језгру – протона и неутрона) и величина (величина атома зависи од броја електрона). Слика 3.5. – Сер Џозеф Џон Томсон (Sir Joseph John Tomson), енглески физичар, открио је постојање честице електрона и дао модел атома назван „пудинг са шљивама” (слика испод).

Слика 3.6. – Ернест Радерфорд (Ernest Rutherford), британски физичар који је предложио планетарни модел атома

Колико је велики атом? Да бисмо одговорили на ово питање извешћемо један мисаони експеримент, слично као Леукип и Демокрит (мисаони експеримент је облик научног истраживања којим се о одређеној хипотези искључиво размишља). Замислите да у једној кугли за билијар све атоме повећамо на величину боровнице. У том случају, та кугла би била величине планете Земље. Ако се питате колико су мале субатомске честице, послужићемо се сличним примером. Ако замислите да је један атом величине јабуке, не бисмо могли да видимо ниједну од субатомских честица. Па колико онда да увећамо атом да бисмо могли да видимо језгро? На величину аутомобила или зграде? Не, атом би морао да буде величине фудбалског терена (не за мали фудбал, већ за професионални) и онда би језгро било величине боровнице. На ободу терена би кружили електрони које још увек не бисмо могли да видимо (слика 3.9). Према томе, субатомске честице су јако мале, а сам атом је готово празан.

Слика 3.7. – Радерфордов планетарни модел атома

Слика 3.8. – Боров модел атома хелијума

Podsetnik P Атоми се састоје од три врсте субатомских честица: протона p+ (носе позитивно наелектрисање), неутрона n0 (електронеутрална честица) и електрона e- (носе негативно наелектрисање). Протони и неутрони се налазе у језгру атома и заједничким именом називају се нуклеони. Електрони чине електронски омотач и налазе се изван језгра атома.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Који филозофи су први увели појам атома? 2. Које елементарне честице изграђују атом? 3. Које елементарне честице се налазе у језгру и како су наелектрисане? 4. Које елементарне честице се налазе у омотачу и како су наелектрисане? 5. Због чега је атом електронеутрална честица?

Слика 3.9. – Атом би морао да буде величине фудбалског терена (не за мали фудбал, већ за професионални) и онда би језгро било величине боровнице. На ободу терена би кружили електрони, које још увек не би смо могли да видимо.

АТОМИ ХЕМИЈСКИХ ЕЛЕМЕНАТА И ХЕМИЈСКИ СИМБОЛИ Кључне речи хемијски елементи хемијски симболи коефицијент

Шта су хемијски елементи?

Хемијски елемент представља врсту чисте хемијске супстанце која се не може поделити на две или више чистих супстанци обичним хемијским методама. Елемент је у ствари скуп истоврсних атома који се могу спајати са другим атомима према сталним и непромењивим правилима. Људима су хемијски елементи познати од давнина, иако нису знали да је нека супстанца чиста и сачињена искључиво од атома који су истоветни. Од злата и сребра су прављени накит и новац, бакар и гвожђе су коришћени за израду квалитетног оружја и оруђа, угљеник за цртање у пећинама и тако даље. За сумпор, бакар, цинк, калај, живу и олово се знало много пре него што је било познато да је реч о хемијским елементима. Како су хемијски елементи добијали називе? Они који су познати од давнина своје називе дугују сопственим физичким и хемијским својствима: водоник или hydrogenium (градитељ воде) од грчких речи ϋδρο или hidro, што значи вода, и γενής или genеs, што значи грађење или стварање, кисеоник или oksigenium (градитељ киселина), хлор (бледозелен) од грчке речи χλωρός, фосфор или phosphorus (носилац светлости) од грчке речи Φωσφόρος. Неки од њих називе добијају по супстанцама из којих су добијени. Алуминијум је добијен из стипсе па му назив потиче од латинске речи за стипсу (alaun), а calx jе латински назив за креч, по коме је калцијум назван. Неки од елемената свој назив добили су по именима градова у којима су откривени. Хафнијум је откривен у Копенхагену (латински назив тог града је Hafnia), а галијум носи назив по Француској, од Gallia, латинског назива за Француску. И астрономска тела су своје називе „позајмила” неким од елемената. Хелијум носи назив по Сунцу (од грчког ήλιος – iljos), селен по Месецу (од грчког σελήνη – selini), а телур по Земљи (од латинског tellus). 44

Ванадијум је назив добио по скандинавској богињи Ванадис, а титанијум по Титанима из грчке митологије, синовима богиње земље Гее и бога неба Урана. У част познатог физичара Алфреда Нобела, који је открио динамит, један елемент се зове нобелијум, а елемент киријум по познатој хемичарки и физичарки Марији Кири. Елемент полонијум, који је открила управо ова једина добитница две Нобелове награде, за хемију и за физику, на њен захтев носи назив земље из које је потекла – по Пољској. Како и зашто се пишу симболи елемената? Због експанзије открића нових елемената, развијен је систем скраћеног писања и обележавања елемената. Основу овог система предложио је шведски научник Јенс Јакоб Берцелијус. Симболи елемената се пишу абецедним словима и то тако што се узима прво слово назива елемента, а уколико није доступно прво слово односно ако већ постоји елемент који је обележен тим словом, онда се додаје и друго слово. Прво слово је увек велико, а уколико симбол има два слова друго је увек мало (табела 2). Каква значења имају симболи хемијских елемената? Сваки симбол има квалитативно и квантитативно значење. Када видимо симбол неког елемента, закључујемо о ком елементу је реч; то је квалитативно значење. Сам симбол такође представља и један атом датог елемента, што је квантитативно значење. Уколико желимо да представимо више од једног атома неког елемента, то чинимо тако што испред симбола елемента пишемо број. Овај број назива се коефицијент. На пример: Na – један атом натријума (коефицијент 1 се не пише, већ се подразумева); 3Fe – три атома гвожђа.

Табела 2. Елементи које ћемо најчешће користити и њихови симболи Назив елемента на српском Водоник Хелијум Литијум Угљеник Азот Кисеоник Натријум Магнезијум Алуминијум Фосфор Сумпор Хлор Калијум Калцијум Гвожђе Бакар Цинк Бром Сребро Јод Злато Жива

Латински назив елемента Hydrogenium Helium Lithium Carboneum Nitrogenium Oxygenium Natrium Magnesium Aluminium Phosphorus Sulphur Chlorum Kalium Calcium Ferrum Cuprum Zinc (енг.) Bromine Argentum Iodium Aurum Hydragyrum

Симбол елемента Изговор симбола H He Li C N O Na Mg Al P S Cl K Ca Fe Cu Zn Br Ag I Au Hg

Ха Ха-е Ел-и Це Ен O Ен-а Ем-ге А-ел Пе Ес Це-ел Ка Це-а Еф-е Це-у Цет-ен Бе-ер А-ге И А-у Ха-ге

Podsetnik P

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта су хемијски симболи? 2. Зашто су уведени хемијски симболи? 3. Напиши хемијске симболе датих елемената: а) флуор; б) олово; в) жива; г) цинк. 4. Одреди значење хемијске симболике: а) 5S, б) N, в) 7O, г) 3Au. 5. Дат је симболички запис 5Cu. Објасни његово: а) квалитативно значење, б) квантитативно значење. 46

Хемијски елемент је чиста хемијска супстанца која се хемијским методама не може поделити на две чисте супстанце или више чистих супстанци. Сваки хемијски елемент има свој назив и свој хемијски симбол. Хемијски симбол, осим квалитативног значења одређеног хемијског елемента, има и квантитативно значење једног атома датог хемијског елемента.

АТОМСКИ И МАСЕНИ БРОЈ И ИЗОТОПИ По чему разликујемо хемијске елементе?

По броју протона. Број протона представља атомски број елемента и обележава се латиничним словом Z. Атомски број представља и редни број елемента у Периодном систему елемената, о коме ћете детаљније учити на страни 52. Сви атоми који у свом саставу имају исти број протона, односно исти атомски број, припадају истом елементу. Колика је маса једног атома? Као што смо рекли, масу атома носе неутрони и протони. Маса протона је 0,0000000000000000000000000016726 kg или 1,6726 × 10−27kg. Маса неутрона је 0,0000000000000000000000000016749 kg или 1,6749 × 10−27kg. Можемо видети да је њихова маса готово једнака. Маса електрона је 0,000000000000000000000000000000911 kg или 9,11 × 10−31kg. Електрон је око 1.800 пута лакши од протона или неутрона. Због тога електрони не доприносе маси. Како се протони и неутрони налазе у језгру, називамо их заједничким именом нуклеони. Масени број представља број нуклеона, односно представља збир броја протона и броја неутрона и обележава се са А. На примеру хелијума погледаћемо како то изгледа у пракси. Хелијум има два протона, два неутрона и два електрона. Према томе је: АТОМСКИ БРОЈ Z = N(p+)= N(e-) = 2 МАСЕНИ БРОЈ A = N(p+) + N(n0) = 2 + 2 = 4 47

Кључне речи атомски број масени број изотопи

Атомски број се пише у доњем левом индексу симбола елемента, а масени у горњем левом: A

E Z

тако да хелијум можемо представити на следећи начин:

He 2 На крају морамо нагласити да је атом електронеутралан, пошто садржи исти број електрона и протона.

1 1 Протијум

2 1 Деутеријум

3 1

А шта ако је број протона исти, али се разликује број неутрона? Још једном да поновимо: атоми истог елемента имају исти број протона. Увек. Али, број неутрона може се разликовати у атомима истог елемента. Атоме елемента који имају исти број протона, али им се разликује број неутрона, називамо изотопима. Према томе, изотопи имају исти атомски број и различит масени број. Ево примера. Водоник има атомски број 1 и редни број 1. То значи да има 1 p+ и, како би био неутралан, 1 e-. Уколико један неутрон постоји у језгру водоника, онда ће атомски број остати исто 1, односно неће се променити, а масени број ће бити 2. Тако да ће сада имати 1 p+ и, како би био неутралан, 1 e-, али ће имати и 1 n0. Ако два неутрона постоје у језгру, онда ће атомски број водоника остати такође 1 и даље се не мења, док ће масени број сада бити 3. Сада водоник има 1 p+, 1 e- и 2n0.

Трицијум Слика 3.9. – Изотопи водоника

Атоми приказани на слици 3.9 су у ствари изотопи елемента водоника. С обзиром на то да су јако познати, добили су и имена: протијум – Н, који нема неутроне, деутеријум – D, који садржи један неутрон, и трицијум – Т, који садржи два неутрона у свом језгру.

Podsetnik P Хемијски елементи разликују се искључиво по броју протона. Број протона назива се и атомски или редни број. Атоми имају исти број протона и електрона. Масу атома чине нуклеони, односно збир протона и неутрона који се налазе у језгру. Број нуклеона представља масени број. Изотопи су атоми истог хемијског елемента који се разликују у броју неутрона.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је атомски број и како се обележава? 2. Шта је масени број и како се обележава? 3. Шта су изотопи? 4. Дати су изотопи угљеника: 126С, 136С и 146С. Одреди број елементарних честица у изотопима угљеника. 5. Број електрона у неком елементу је 47, а број неутрона 61. Напиши симбол елемента са масеним и атомским бројем.

ЕЛЕКТРОНСКИ ОМОТАЧ Кључне речи електронски омотач енергетски ниво електронска конфигурација валентни ниво валентни електрони

Видели смо да је структура атома организована тако да се у језгру или нуклеусу атома налазе протони који су позитивно наелектрисани и неутрони који су неутрални, и да они носе масу самог атома. Око језгра круже електрони који су негативно наелектрисани и тако формирају електронски омотач. Из физике знамо да се позитивно и негативно наелектрисање привлаче, па су тако електрони у сталном привлачењу са протонима. Али исто тако знамо да се негативно и негативно, као и позитивно и позитивно наелектрисање међусобно одбијају. Због чега не долази до одбијања електрона у омотачу? Одговор на ово питање лежи у енергији електрона. Како се електрони јако брзо крећу и имају пуно простора за своје кретање око самог језгра, они формирају енергетске нивое на којима се крећу. Електрони са најнижом количином енергије крећу се јако близу језгра и снажно су привучени због позитивног наелектрисања протона из језгра. Како је простор мањи што су електрони ближе језгру, у први енергетски ниво могу се сместити само два електрона. Са порастом атомског броја расте привлачно позитивно наелектрисање језгра, тако да је могуће да све више електрона учествује у изградњи електронског омотача. У следећи енергетски ниво може се сместити осам електрона и они ће имати вишу енергију у односу на електроне из првог нивоа. Електрони ће даље у трећем нивоу имати много виши садржај енергије у односу на електроне из другог и првог нивоа и тако даље. Колико енергетских нивоа може имати атом? Атом може имати до седам енергетских нивоа у свом електронском омотачу. Нивое обележавамо арапским бројевима од 1 до 7 или латиничним словима K, L, M, N, O, P, Q. У К нивоу могу се сместити два електрона, у L нивоу осам, у M нивоу осамнаест, а у N нивоу тридесет два електрона. Начин на који су електрони распоређени по енергетским нивоима назива се електронска конфигурација (слика 3.10).

Највећу важност имају електрони који се налазе у последњем нивоу. Последњи попуњени или делимично попуњени ниво назива се валентни ниво, а сами електрони који се налазе баш у овом нивоу називају се валентни електрони. Ово ће нам бити јако важно касније, јер управо су валентни електрони одговорни за хемијска својства самих елемената.

језгро

1p+

електрон

H 1 водоник

језгро 2p+ 2n0

8p+ 8n0

7p+ 7n0

3p+ 4n0

He 2 хелијум N 7 азот

9p+ 10n0

F 9 флуор

10p+ 10n0

Ne 10 неон

O кисеоник 8

5p+ 6n0

B 5 бор

Li 3 литијум

електрони

4p+ 5n0

Be 4 берилијум

Слика 3.10. – Примери електронске конфигурације хемијских елемената

Podsetnik P

Електронски омотач формирају електрони који круже око језгра атома. Електрони су у електронском омотачу распоређени у енергетске нивое, којих има седам и обележавају се арапским бројевима од 1 до 7 или латиничним словима K, L, M, N, O, P, Q. Распоред електрона у електронском омотачу назива се електронска конфигурација. Последњи попуњени или делимично попуњени ниво назива се валентни ниво и од њега зависе хемијска својства одређеног хемијског елемента.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Како су електрони распоређени око језгра? 2. Шта су енергетски нивои и како се обележавају? 3. Шта су валентни електрони? 4. По чему се разликује електрон на другом и на трећем енергетском нивоу? 5. Шематски прикажи распоред електрона у атомима: а) 6С; б) 9 F. 6. Атом неког елемента има један електрон у трећем енергетском нивоу. 51 Одреди укупан број електрона.

ПЕРИОДНИ СИСТЕМ ЕЛЕМЕНАТА Кључне речи Периодни систем елемената периода група Закон периодичности

Како класификовати све елементе на основу њихових физичких и хемијских својстава? На ово питање је одговорио руски хемичар Дмитриј Иванович Мендељејев (слика 3.11). Наиме, до 1863. године било је познато 56 хемијских елемената, али како је у то време наука грабила крупним корацима, сваке године откриван је бар по један нов елемент. Међутим, ниједна табела није задовољавала правилну класификацију елемената по хемијским и физичким својствима које су они поседовали. Шта је Мендељејев урадио? Најпре је направио картице за сваки елемент. На картицама је написао називе елемената и њихова позната својства. Премештајући елементе на најразличитије могуће начине, дошао је до табеле у којој су систематизовани до тада познати хемијски елементи. Један од првих научника који је прихватио табелу Мендељејева био је и српски хемичар Сима Лозанић, 6. марта 1869. године.

Слика 3.11. – Дмитриј Иванович Мендеље јев (Дмитрий Иванович Менделеев), руски хемичар и проналазач, први је формулисао устројство елемената у природи и назвао га Периодни систем елемената.

У чему се огледао гениј Мендељејеве табеле хемијских елемената? У томе што то није била само табела у којој су побројани сви хемијски елементи. То је била табела у којој су елементи распоређени на основу њихових атомских маса, експериментално утврђених хемијских и физичких својстава и то тако да се у вертикалним низовима налазе елементи који имају слична својства, а масе им се повећавају сличним трендом и притом имају исту валентност. У хоризонталним редовима се ређају елементи по лаганом порасту њихове масе, али им се хемијска и физичка својства, слева надесно, лагано и периодично мењају. Вертикалне низове је назвао групе, а хоризонталне редове периоде. Зависно од атомских маса, односно атомских бројева елемената у Периодном систему, периодично зависе и својства елемената. Ово представља Закон периодичности. Тако је настала прва верзија Периодног система елемената. Прецизност Мендељејева је ишла толико далеко да је он предвидео празна места за елементе који још нису били откривени а одговарали би по својствима и маси. У то празно место је уписиван елемент из исте групе изнад и носио је префиксе ека, дви и три (што на сан52

Слика 3.12. – Део првобитног Периодног система елемената Дмитрија Ивановича Мендељејева

скриту значи један, два и три). Тако су испод силицијума, алуминијума и бора били екасилицијум, екаалуминијум и екабор, елементи који тада нису били познати а којима је Мендељејев предвидео не само масе већ и својства. Данас они носе називе германијум, галијум и скандијум. Као награду за откриће Периодног система елемената, Мендељејев је добио управо алуминијумски пехар јер је у то време овај новооткривени елемент био скупљи од злата. Како данас изгледа Периодни систем елемената и како се користи? Слично као у време Мендељејева, данас Периодни систем елемената представља табеларни приказ хемијских елемената, распоређених на основу њиховог атомског броја (број протона), електронске конфигурације и периодично понављајућих хемијских својстава (слика 3.13). Сви елементи се ређају по порасту атомског броја слева наде сно и организовани су у седам водоравних редова, периода, које се обележавају арапским бројевима од 1 до 7 или често великим латиничним словима K, L, M, N, O, P и Q. Разлог за то је управо електронска конфигурација елемената који се налазе у истој периоди, јер се њима попуњава управо онај енергетски ниво чијим бројем односно словом је периода обележена. У истој периоди се својства лагано мењају како се иде сдесна налево.

МЕТАЛИ НЕМЕТАЛИ МЕТАЛОИДИ ПЛЕМЕНИТИ ГАСОВИ

Слика 3.13. – Периодни систем елемената

Слика 3.14. – Квалитативна подела Периодног система елемената

МЕТАЛИ МЕТАЛОИДИ НЕМЕТАЛИ

Елементи у Периодном систему су подељени и у усправне групе којих има 18 и обележавају се такође арапским бројевима. Неке од група имају и своје називе јер су својства елемената у истој групи јако слична, па тако разликујемо алкалне метале у групи 1, земноалкалне метале у групи 2 или халогене елементе и племените гасове у групама 17 и 18, по редоследу. Занимљиво је да сви елементи у оквиру исте групе имају истоветно попуњен валентни ниво. Ова чињеница је јако важна за хемијска својства самих елемената и за начине на које они реагују са другим елементима. Због тога се елементи Периодног система могу поделити на метале, металоиде, неметале и племените гасове (слика 3.14). Сада када знамо правила о томе како је састављен Периодни систем, уколико знамо назив елемента или његов редни односно атомски број, врло лако и брзо можемо сазнати не само тачну електронску конфигурацију елемента већ и његова својства, о којима ћемо тек дискутовати у следећим поглављима и заиста научити скривене могућности Периодног система елемената. И уколико бисте били у недоумици у вези са неким питањем из хемије, прво место да потражите одговор је управо Периодни сис тем, који би требало да се налази у сваком кабинету хемије.

ПЛЕМЕНИТИ ГАСОВИ

НЕМЕТАЛИ

МЕТАЛИ МЕТАЛИ МЕТАЛИ НЕМЕТАЛИ НЕМЕТАЛИ НЕМЕТАЛИМЕТАЛОИДИ МЕТАЛОИДИ МЕТАЛОИДИ ПЛЕМЕНИТИ МЕТАЛИГАСОВИ ПЛЕМЕНИТИ ГАСОВИ ПЛЕМЕНИТИ ГАСОВИ НЕМЕТАЛИ

МЕТАЛОИДИ ПЛЕМЕНИТИ ГАСОВИ

МЕТАЛОИДИ М ЕТАЛИ

МЕТАЛИ

ПЛЕМЕНИТИ ГАСОВИ

Podsetnik P Периодни систем елемената је табеларни распоред хемијских елемената на основу њиховог атомског броја, електронске конфигурације и хемијских својстава која се периодично понављају. Усправних редова, група, има 18, а водоравних, периода, има 7. Периодни систем елемената заснива се на Закону периодичности по ком су елементи са сличним својствима смештени у исту групу, док се у периоди својства хемијских елемената мењају. Хемијски елементи се у Периодном систему елемената грубо могу поделити на метале, металоиде, неметале и племените гасове.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је Периодни систем елемената? 2. Шта означавају групе и периоде у Периодном систему елемената? 3. Колико група и колико периода има у Периодном систему елемената? 4. Које податке можемо наћи у таблици Периодног система елемената? 5. Шта је заједничко за елементе који се налазе у истој: а) групи, б) периоди? 6. На основу распореда електрона у атомима елемената одреди у којој групи и периоди се налазе: а) 12 Е, б) 1Е.

ПЛЕМЕНИТИ ГАСОВИ Кључне речи племенити гасови стабилни дублет стабилни октет инертни гасови

Племенити гасови су хемијски елементи који се у Периодном систему налазе у 18. групи потпуно десно и одликују се јако занимљивим хемијским и физичким својствима. То су хелијум (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивни радон (Rn). Оганесон (Og) такође припада групи племенитих гасова, радиоактиван је и последњи је елемент у Периодном систему, али је изузетно нестабилан и о његовим својствима се јако мало зна. Због чега се елементи у 18. групи називају племенити гасови?

Слика 3.15. – Неонска лампа – племенити гас неон који исијава наранџасто-црвеном светлошћу у електричном пољу.

Назив су добили по свом физичком својству да се сви на собној температури од 20°C налазе у гасовитом агрегатном стању и по хемијском својству да су изузетно слабо реактивни и врло ретко учествују у хемијским реакцијама са другим хемијским елементима, а по аналогији са племенитим металима који такође имају ниску реактивност. Из тог разлога се за њих често с правом каже да су они инертни гасови. Како се неки од њих тешко налазе јер постоје у врло малим количинама, називају се и ретки гасови, а име криптона на грчком значи управо то, „онај који је сакривен”. За хелијум смо већ рекли да му име потиче од грчког назива за Сунце (на грчком ήλιος – iljos), и он чини један од састојака хромосфере Сунца, иако се хелијум у Сунцу налази и у облику алфа-честица које су у ствари огољена језгра хелијума без електронског омотача у агрегатном стању плазме. Неон на грчком значи нов (νέον), а аргон лењ и неактиван (άργόν). Ксенон потиче од речи странац или гост (ξένον), а радон за своје име може да захвали свом физичком својству – радиоактивности. Због чега су племенити гасови инертни?

Слика 3.16. – Неонске рекламе

Одговор на ово питање се може формулисати и овако: сви хемијски елементи теже да имају стабилну електронску конфигурацију племенитих гасова. Ако погледамо валентни енергетски ниво у електронском омотачу било ког племенитог гаса, видећемо да је он попуњен до краја. Хелијум, као што смо већ рекли, има два електрона и пошто ниво 1 или K ниво може да прими управо два електрона, то чини електронски омотач атома хелијума стабилним. Овај распоред се назива стабилни дублет. 56

Следећи у групи су неон, аргон, криптон и ксенон, у чије одговарајуће валентне нивое може да се смести максималан број електрона, а то је осам, па се овакав распоред назива стабилни октет. Где се налазе племенити гасови и како се могу добити? Иако је хелијум након водоника најзаступљенији елемент у универзуму, на Земљи је слабо заступљен. Разлог за ову појаву је јако интересантан. Како је хелијум инертан и не реагује са другим елементима, а притом је врло лаган, гравитација Земље није довољно јака да га задржи у атмосфери и он неповратно одлази у свемир. Један од најзаступљенијих начина за добијање племенитих гасова из ваздуха и земних гасова јесте дестилација на веома ниским температурама (о дестилацији ће бити више речи на страни 98.)

Балони пуњени хелијумом

Како се племенити гасови примењују у свакодневном животу? Хелијум се користи за пуњење балона јер је лакши од ваздуха и, за разлику од водоника, није запаљив (слика 3.17). Додаје се у смешу којом се пуне ронилачке боце, а користи се и као ракетно гориво. Течни хелијум користи се за хлађење и испитивање материја на врло ниским температурама. Неон се употребљава за пуњење сијалица и светлећих реклама. Зависно од тога који се гас налази у сијалици зависиће и боја светлости у електричном пољу (слике 3.15. и 3.16). Аргон, криптон и ксенон се такође користе за пуњење сијалица. Радон је радиоактивни елемент који има штетан утицај на здравље људи јер доводи до поремећаја ћелијских структура и изазива развој канцерогених ћелија. Накупља се у рудницима и пећинама, па се сматра изазивачем рака плућа код рудара.

Ронилачке боце Слика 3.17. – Примери употребе хелијума

Podsetnik P Племенити гасови су хемијски елементи који се у Периодном систему налазе у 18. групи. На собној температури су у гасовитом агрегатном стању и врло ретко ступају у хемијске реакције, односно инертни су. Разлог за хемијску инертност може се огледати у чињеници да су им валентни нивои електронског омотача попуњени.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Наведи називе и напиши хемијске симболе елемената који припадају групи племенитих гасова. 2. Наведи основна својства племенитих гасова. 3. Шта је заједничко за ове елементе? 4. Објасни појмове стабилан дублет и стабилан октет. 57 5. Наведи примену: а) хелијума, б) неона.

IV. МОЛЕКУЛИ ЕЛЕМЕНАТА И ЈЕДИЊЕЊА, ЈОНИ И ЈОНСКА ЈЕДИЊЕЊА

а ли у природи постоје слободни атоми? Атоми се у природи веома ретко налазе у слободном облику. Као што смо видели, једино се племенити гасови могу наћи у атомском облику. С обзиром на њихову електронску конфигурацију, то је и врло лако објашњиво. Сетите се да електрони у њиховим валентним нивоима испуњавају октетно односно дублетно правило, што их чини инертним. Због чега атоми елемената међусобно формирају хемијске везе? Управо је тежња других елемената да постигну стабилну електронску конфигурацију коју имају племенити гасови један од разлога за хемијску реакцију. Наиме, неким атомима у елементарном стању недостаје неколико електрона како би у потпуности попунили валентни енергетски ниво. Неки од њих имају само неколико електрона у валентном нивоу и лако им је да те електроне отпусте и уступе их онима којима су потребнији. И сада имамо ситуацију да, док једнима недостаје један или неколико електрона, други ће радо дати своје електроне. Врло је логично да их онда они међусобно размене. Та размена електрона води формирању везе између тих атома и таква веза назива се хемијска веза. На тај начин настају хемијска једињења. Ако се бавите хемијом, ваш задатак је да испитате и објасните како и зашто долази до стварања везе између атома и формирања молекула. Морате да утврдите и каква су им физичка и хемијска својства. Али, да не бисмо почели све из почетка, у овом поглављу ћемо се упознати са неким законитостима у хемији које су давно открили други хемичари.

КОВАЛЕНТНА ВЕЗА: МОЛЕКУЛИ ЕЛЕМЕНАТА Шта је то ковалентна веза?

Кључне речи хемијска веза ковалентна веза молекули хемијска формула молекулска формула индекс једнострука, двострука и трострука хемијска веза стабилан октет стабилан дублет

Ковалентна веза је тип хемијске везе у којој атоми углавном неметала постижу енергетски стабилне електронске конфигурације које имају племенити гасови, тако што међусобно удружују по један или више валентних електрона. Како атоми међусобно деле електроне? Ово ћемо најлакше видети на примеру водоника. Најједноставнији хемијски елемент водоник у свом електронском омотачу има један електрон. Да би постигао електронску конфигурацију најближег елемента племенитог гаса, хелијума, потребан му је један електрон. Најлакше ће онда бити да два водоника поделе међу собом по један електрон, такорећи да удруже своје електроне и створе заједнички електронски пар. Ово међусобно удруживање валентних електрона је у ствари ковалентна хемијска веза. Два атома водоника ће се удружити градећи молекул водоника (слика 4.1). Уколико се хемијска веза гради између истих атома, онда су то хомогени двоатомски молекули. Хомогени је реч грчког порекла која значи изграђен од истог или једноврстан.

Слика 4.1. – Формирањe молекула водоника

атом H

молекул H2 H H

атом H

Како се формирање молекула водоника може представити хемијским симболима? Да не бисмо морали стално да цртамо атоме водоника, њих можемо врло једноставно представити хемијским симболима и тачкицама (Луисовим симболима, о којима ће више речи бити на следећој страни) уместо валентних електрона на следећи начин:

H H H• + •H H• •H H2

Луисова формула молекула водоника шематски приказ молекула водоника хемијска формула молекула водоника

Два електрона из два водоникова атома формирала су електронски пар који представља стабилан дублет и електронску конфигурацију хелијума. Делећи међусобно електронски пар из везе, атоми водоника формирају стабилан молекул, при чему електронски пар можемо представити цртицом. Молекул можемо записати тако што ћемо написати симбол или симболе елемента у молекулу и у доњи десни индекс њихов збирни број у молекулу. За молекул водоника, на пример, написаћемо симбол Н и у доњи десни индекс број два - Н2. Овакав начин приказивања молекула елемената називамо хемијска формула или молекулска формула.

Шта се приказује молекулском формулом? Молекулска формула, исто као и хемијски симболи има: квалитативно значење – од којих је хемијских елемената молекул саздан; квантитативно значење – тачан број атома елемената који се налазе у молекулу. То се ради тако што се у десни доњи индекс уписује арапски број који нам казује колико атома има у молекулу. Наравно да, уколико је само један атом неког елемента присутан у неком молекулу, јединицу подразумевамо и не уписујемо.

Слика 4.2. – Модел молекула водоника

Како се чита хемијска формула? Као што изговарамо називе хемијских елемената, на сличан начин изговарамо и хемијске формуле. Водоников молекул сачињен од два атома водоника записује се и изговара на следећи начин:

H2 – ха два. Да ли је то једини начин писања хемијских формула?

Слика 4.3. – Гилберт Њутон Луис (Gilbert Newton Lewis), амерички хемичар

Иако је најједноставнији и најбржи начин писања хемијских формула, овај начин није и једини. Уколико желимо да ипак видимо интеракције појединачних електрона и њихов размештај, пожељно је и да их представимо као што смо то већ урадили – тачкицама. Исто то је приметио и амерички физикохемичар Гилберт Њутон Луис, по коме је овај начин приказивања добио име Луи сове структурне формуле. Понекад можете наћи да их зову само структурне формуле, што није грешка. Гилберт Њутон Луис (слика 4.3) је предложио следећа три правила за писање хемијских формула: 1. Електронски парови који чине везе између атома у молекулу представљају се цртицом. 2. Валентни електрони који не учествују у вези се такође спарују и распоређују око хемијског симбола атома елемента којем припадају. 3. Око сваког атома у молекулу треба да буде испуњен или дублет од два електрона или октет, односно осам електрона који окружују атом, укључујући оба електрона из веза (било да су то једноструке, двоструке или троструке везе) и електронске парове који не учествују у вези. Како изгледају Луисове структурне формуле? Најлакше ћемо их видети на примеру молекула хлора (Cl2), кисеоника (O2) и азота (N2). Можемо видети да су испуњена сва Луисова правила и да сви атоми због тога што деле електроне из ковалентних веза испуњавају октетно правило, имају попуњене валентне нивое и имају стабилне електронске конфигурације елемената најближих племенитих гасова (слика 4.4). Међутим, разлика у односу на молекул водоника јесте у томе што, да би били у стању да попуне валентни енергетски ниво, ови елементи морају да испуне 62

октетно правило. У том случају, како је атому хлора потребан само један електрон, он ће са другим атомом хлора поделити по један електрон и формирати једноструку везу, слично као атоми водоника. Атому кисеоника су потребна два електрона како би формирао октет и због тога ће он делити два електрона са другим атомом кисеоника, укупно четири. Као што смо рекли, један дељени електронски пар представља једну везу коју представљамо цртицом, док ћемо у молекулу кисеоника имати два електронска пара, тако да ће они међу собом формирати двоструку везу. У молекулу азота имамо пример чак троструке везе, јер ће два атома азота делити по три електронска пара. Јачина везе између атома расте са бројем веза, па је тако једнострука најслабија веза, а трострука изузетно јака и стабилна. Ово је разлог због којег је молекул азота који се налази у ваздуху изузетно нереактиван, односно инертан. Луисове

Модели молекула: а) хлора

б) кисеоника

структурне формуле

в) азота

Слика 4.4. – Везе хлора, кисеоника и азота и њихови различити начини приказивања

КОВАЛЕНТНА ВЕЗА: МОЛЕКУЛИ ЈЕДИЊЕЊА Kључне речи молекули једињења неполарна ковалентна веза поларна ковалентна веза

Како се ствара веза између атома водоника и хлора? Једињење је молекул настао комбиновањем атома различитих елемената. У реакцији молекула елемената водоника и хлора настаје ново једињење, које се назива хлороводоник. Хајде да видимо како настаје (слика 4.5a). Као што видимо из Луисових формула на слици 4.5, новонастало једињење има ковалентну везу којом, делећи електронски пар, атом водоника постиже стабилан дублет, а атом хлора стабилан октет. Погледајмо још један пример у коме се од атома водоника и атома кисеоника добија вода (слика 4.5б). Aтом кисеоника ће градити две везе са два атома водоника како би постигао стабилан октет и електронску конфигурацију атома неона, који у свом валентном нивоу има осам електрона. Атом кисеоника има шест електрона у валентном нивоу и, према томе, потребна су му још два која дели са два атома водоника са којима гради две једноструке везе. Атомима водоника је потребан само један електрон за дублет, чиме постижу електронску конфигурацију хелијума, као и у примерима до сада. Видимо и да два атома азота међусобно формирају троструку везу. Али, уколико један атом азота треба да спаримо са водоником, требаће нам управо три водоникова атома. Ово једињење се назива амонијак (слика 4.5в). Какве ковалентне везе постоје? Уколико упоредимо ковалентне везе у молекулу водоника и молекулу хлороводоника, приметићемо једну занимљиву појаву. Како у језгру атома водоника имамо само по један протон, електронски пар који се налази између њих биће привучен од оба језгра подједнако. У молекулу хлороводоника је мало другачија ситуација. Атом хлора у свом језгру има чак седамнаест протона на једном месту (сетите се да је атомски или редни број атома хлора 17). Када атом хлора формира хемијску везу са атомом водоника, он долази у не64

завидну позицију. Наиме, он никако не може да са својим једним протоном у језгру парира језгру атома хлора са седамнаест протона. Због ове разлике у способности језгра да привуче ка себи електроне, електронски пар из везе у хлороводонику бива привучен више ка језгру атома хлора. Из тог разлога ће сада атом водоника, пошто му је одвучен електрон, бити делимично или парцијално позитивно наелектрисан, док ће атом хлора бити делимично или парцијално негативно наелектрисан. Парцијално позитивно наелектрисање се обележава грчким словом δ+ (чита се делта плус), а парцијално негативно наелектрисање у молекулима δ- (чита се делта минус). Као што можемо да видимо, веза у молекулу хлороводоника има полове, позитивни и негативни, док веза у молекулу водоника нема полове. Због тога ове две врсте ковалентних веза називамо поларна и неполарна ковалентна веза. Молекуле у којима је веза поларна понекада називамо и поларним молекулима, а оне у којима је веза неполарна неполарним молекулима. Слично је и у молекулима хлора, кисеоника и азота, који граде неполарне ковалентне везе, а у молекулима воде и амонијака везе су поларне ковалентне.

δ+

δ-

··

·· H ·· Cl ··

a) хлороводоник δ-

б)

··

·· H ·· О H

··

δ+

вода δ-

в)

амонијак

Слика 4.5. – Примери ковалентних веза

··

δ+

·· H ·· N ·· H H

Каква су физичка својства неполарних и поларних молекула? Покажимо то демонстрационим огледом. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД За овај оглед вам није потребна заштитна опрема. Све што вам треба су ебонитна (пластична) шипка, вунена крпа и славина са текућом водом. Најпре наелектришите пластичну шипку вуненом крпом, као на часовима физике. Затим пустите воду да иде у танком млазу и принесите шипку (слика 4.6). Уместо воде за овај оглед можете, уколико то услови дозвољавају, користити и етанол, који је мање поларан молекул од воде, или хексан, који је изузетно неполаран молекул. Своја запажања запишите и објасните. Као што смо видели, поларни молекули бивају Слика 4.6. – Поларност молекула воде привучени наелектрисаним објектима, за разлику од неполарних молекула. Због тога се поларни молекули изузетно добро привлаче и међусобно. Ово узајамно добро привлачење узрокује и различита агрегатна стања код супстанци чији молекули имају поларне односно неполарне ковалентне везе.

Podsetnik P Ковалентна веза је тип хемијске везе у којој углавном атоми неметала постижу енергетски стабилне електронске конфигурације међусобним удруживањем једног валентног електрона или више валентих електрона. На тај начин формирају се молекули. Молекули се приказују хемијским или молекулским формулама. У зависности од атома који формирају молекул, можемо разликовати поларне и неполарне молекуле. Молекули се могу приказивати и Луисовим структурним формулама.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је хемијска веза? 2. Како настаје хемијска веза између атома неметала? 3. Који електрони учествују у стварању везе? 4. Одреди да ли је у следећим молекулима присутна поларна или неполарна веза: Br2, F2, HF, O2, H2, H2O. 5. Шематски прикажи настајање хемијске везе између: а) два атома флуора; б) атома водоника и атома флуора; в) атома угљеника и атома водоника.

Табела 5. Како се пишу и читају хемијске формуле молекула елем Табела 5. Како се пишу и читају хемијске формуле молекула елем Модел Модел молекула молекула

Назив Назив молекула молекула

Молекулск Молекулск формула формула

Cl Cl Cl Cl

хлор хлор

Cl Cl22

кисеоник кисеоник

O2 O2

Табела 3. Писање и читање хемијских формула молекула елемената и молекула једињења Хомогени молекули Назив молекула

Молекулска формула

Молекули једињења

Читање молекулске формуле

хлор

Cl2

це-ел-два

флуор

еф-два

бром

Br2

бе-ер-два

Модел молекула

Табела 5. Како се пишу и читају хемијске формуле молекула елемената и једињења? Модел молекула

Назив молекула

Cl Cl

хлор

водоник

N N

ха-два

кисеоник

о-два

азот

ен-два

P4 S8

о-два

азот

ен-два

хлороводоник

HCl

ха-це-ел

O H Модел H

H NHH HCl HCl Cl Cl H C H H O HO O O N N N N

O P H OPH H H N H H NH HS H SH S S H HC H CH H H H H

ес-осам

S S

ха-два-о

O HCl OClH H H O O

NH3

ен-ха-три

HCl

ха-це-ел

N H HO NHOH H N HN H H C H HN CHNH H H Cl H

CO2

це-о-два

»итање молекулске »итање молекулске формуле формуле

ес-о-два

метан кисеоник кисеоник

CH O метан O

CH4

це-ха-четири

N сумпорN -триоксид

SO3

ес-о-три

азотна HO киселина HO

HNO3

ха-ен-о-три

сумпорна NH NH киселина

H2SO4

ха-два-ес-о-четири

3 2 2

4 2 2

2 2

вода

амонијак

HCl HCl

метан

це-ха-четири о-два о-два

ен-два ен-два

ха-два-о

CH4 CH4

Модел Назив Молекулск молекула молекула формула Табела 5. Како се пишу и читају хемијске формуле молекула елем хлороводоник HCl хлороводоник HCl Модел Назив Молекулск хлор Cl2 молекула молекула формула

H H Cl Cl Cl Cl

H Cl OC

ен-ха-три

це-ха-четири

O H N HH H H O S O N H H H CH H H H H C H H H

O S

ха-це-ел ха-це-ел

ха-два-о

метан

ен-ха-три це-ел-два це-ел-два

N Модел N N N молекула

Табела 5. Како се пишу и читају хемијске азот формуле молекула N2елем азот N2

70 70

SO2

вода

H2O

амонијак хлор хлор

хлороводоник хлороводоник

Читање молекулске формуле

сумпорNH Cl -диоксид Cl

азот азот

H Cl H Cl P

пе-четири

2 Молекулска Молекулска формула формула

Назив Назив молекула молекула

Модел молекула молекула

сумпор

O амонијак

Табела 5. Како се пишу и читају хемијске формуле молекула елемената и једињења? ха-два-о вода Табела 5. Како се пишу и читају хемијске формуле молекула и једињења? H елемената O

фосфор

це-ел-два

угљен-диоксид

Cl вода

O O

Молекулска формула

»итање молекулске формуле

хлороводоник

Br Br

и-два

Молекулска формула

кисеоник

H Cl

јод

Назив молекула

O O

O N

O H O O

H H S O

вода хлор вода кисеоник

HCl2O H2O 2 O2

амонијак кисеоник амонијак азот

NH O233 NH N2

метан азот метан хлороводоник

CH N244 CH HCl

хлороводоник

HCl H2O

вода

вода амонијак

амонијак метан

метан

H2O NH3 NH3 CH4 CH4

АТОМСКА И МОЛЕКУЛСКА КРИСТАЛНА РЕШЕТКА Kључне речи атомска кристална решетка молекулска кристална решетка

Као што већ знамо, постоје три главна агрегатна стања у којима се супстанца може наћи: гасовито, течно и чврсто. Да ли ће нека чиста супстанца бити у једном од ова три стања умногоме зависи од својстава самих молекула и од међусобне интеракције тих молекула, превасходно од јачине привлачних међумолекулских сила. У којим агрегатним стањима могу да се јаве атоми и молекули?

У гасовитом стању се обично налазе молекули између којих постоје мале привлачне међусобне интеракције и који немају довољно енергије да се међусобно повежу. Растојање између молекула је велико и они се насумично крећу у простору, ударају једни о друге и искоришћавају максимално и подједнако сваки простор у коме се налазе. Племенити гасови су пример атома у гасовитом стању, док су кисеоник (О2), водоник (H2), азот (N2,), као и угљеник (IV)-оксид (CO2) и сумпор (VI)-оксид (SO3) примери молекула у гасовитом стању. Поларност везе у молекулима је узрок јаче међусобне интеракције молекула. Као што из физике знамо, позитивно и негативно наелектрисање се привлачи, па тако, чак и делимично наелектрисање у поларним молекулима омогућава јаче међумолекулске интеракције. Али оне нису увек довољно јаке да изазову чврсто агрегатно стање у молекулима, па се они јављају у облику течног агрегатног стања. Сви знамо да вода тече, клизи и прелива се. Без обзира на то што поприма облик суда у који се сипа, она ипак нема могућност потпуног заузимања запремине затвореног суда у коме се налази, као што то могу гасови. Молекули који су међусобно повезани изузетно јаким међумолекулским интеракцијама налазе се у чврстом агрегатном стању. Чврсто Слика 4.7. – Вода у своја три агрегатна стања: течном (језеро), чврстом (лед и снег) и су повезани и заузимају тачно одређен облик и запремину која се не гасовитом (водена пара, магла) мења уколико се на супстанцу не делује неком спољашњом силом. 68

Чврсте супстанце могу изграђивати како атоми и молекули, тако и јони о којима ће бити речи у следећој лекцији. Оно што је занимљиво код чврстих супстанци јесте њихово унутрашње уређење. Начин на који се молекули међусобно пакују може бити без икаквог реда и потпуно насумично, и такво уређење називамо аморфно. Али неке од супстанци имају тачно одређен начин паковања који се понавља у структури чврстог паковања, слично као што се у решеткама понављају отвори. Овакав начин уређења чврстог стања називамо кристална решетка, а супстанце које имају овакво уређење су кристали. Кристалну решетку могу имати и супстанце у елементарном стању и због тога тај начин уређења зовемо атомска кристална решетка. Графит и дијамант, који су изграђени од атома угљеника, имају овакво уређење (слике 4.8 и 4.9). Пуно је примера ковалентних једињења која имају молекулску кристалну решетку. Кристал-шећер којим заслађујемо јела и пића се састоји управо од једињења који се зову угљени хидрати или шећери и, као што му име каже, има кристалну структуру.

Слика 4.8. – Кристална решетка дијаманта

Слика 4.9. – Кристална структура графита из различитих углова

ЧВРСТО

ЗАГРЕВАЊЕ

u Слика 4.10. – Промена агрегатног стања супстанци услед загревања или хлађења

ТЕЧНО

ГАСОВИТО

u ЗАГРЕВАЊЕ

ХЛАЂЕЊЕ 69

ХЛАЂЕЊЕ

ЈОНСКА ВЕЗА Како метали постижу стабилну електронску конфигурацију племенитих гасова? Метали који се налазе у првој и другој групи Периодног система елемената у својим валентним нивоима имају један, односно два електрона. Да би натријум постигао стабилну електронску конфигурацију племенитог гаса аргона из исте периоде, морао би да прими чак седам електрона. Како је то јако тешко оствариво, њему не преостаје ништа друго до да тај један електрон преда неком другом атому и тиме постигне стабилну електронску конфигурацију коју има неон, племенити гас из претходне периоде. Управо се то и догађа. Погледајмо шта ће се догодити уколико се атом натријума нађе у близини атома хлора (слика 4.11). Валентни електрон натријума ће потпуно отићи од натријума и прећи на хлор. Како је изгубио један електрон, натријум више неће бити електронеутралан већ укупно једном позитиван, јер сада има једанаест протона и десет електрона. Ово ново стање натријума назива се јонско стање, а сада позитивни јон натријума називамо катјон. Ослобођени електрон ће бити примљен у валентни ниво хло-

Прелазак електрона

11p+ 12n0

Na•

17p+ 18n0

•• •Cl ••

••

Kључне речи јон катјон анјон јонска веза

ра, који такође више неће бити електронеутралан. Како сада хлор има седамнаест протона и осамнаест електрона, он ће бити укупно негативно наелектрисани јон или анјон. Натријум је позитиван, а хлор негативан. Како се позитивно и негативно наелектрисање привлаче, катјон натријума и анјон хлора ће бити природно електростатички привучени. Ово електростатичко привлачење катјона и анјона назива се јонска веза. И тако од изузетно реактивног натријума и токсичног хлора добијамо једињење које је незаменљиво у људској исхрани – кухињску со или натријум-хлорид. Изразити примери јонских веза су између метала из група 1 и 2 и неметала из група 16 и 17. На примеру магнезијума видимо да када долази до формирања јона одлазе два електрона. Уколико је хлор тај који прима електроне, онда ће за сваки атом магнезијума два атома хлора примити по један од два електрона. Како су кисеонику потребна два електрона за стабилну електронску конфигурацију, они ће бити обезбеђени од два атома натријума. Када је овај услов испуњен настају анјон кисеоника и два катјона натријума, који електростатичким привлачењем формирају јонску везу.

11p+ 12n0

17p+ 18n0

••

•• Cl••

••

Слика 4.11. – Формирање јонске везе између натријума и хлора

Како се исправно пишу јони? По договору, наелектрисање се пише у горњем десном индексу поред симбола хемијског елемента. Уколико је формално наелектрисање веће од један, као у случају магнезијума и кисеоника, у индексу се најпре пише број који означава колико је електрона у мањку или у вишку, а затим формална ознака наелектрисања, плус или минус.

Na+

катјон натријума

Mg2+

катјон магнезијума

Cl-

анјон хлора

O2-

анјон кисеоника

Podsetnik P Кристална решетка је уређени распоред елементарних честица супстанце. Уколико се супстанца састоји од атома, ради се о атомској кристалној решетки, а уколико је супстанца састављена од молекула, ради се о молекулској кристалној решетки. Аморфне супстанце су оне које немају уређен, већ имају насумичан распоред елементарних честица. Јонска веза је електростатичко привлачење позитивно наелектрисане честице или катјона и негативно наелектрисане честице или анјона. Катјони и анјони настају услед добијања или губљења електрона. Једињења с јонском везом су јонска једињења.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је јонска веза? 2. Шта су јони? 3. Одреди који је тип хемијске везе присутан у следећим молекулима (јонска, поларна ковалентна, неполарна ковалентна): CaО, Cl2, NaBr, HNO3, I2, KCl. 4. Шематски прикажи образовање хемијске везе између: а) натријума и кисеоника; б) магнезијума и флуора.

ЈОНСКА КРИСТАЛНА РЕШЕТКА Видели смо да јонска веза доводи до изузетно јаке привлачне интеракције између јона. Сада ћемо размотрити какве су међусобне интеракције јонских једињења, као и самих јона у кристалној решетки.

Kључне речи јонска кристална решетка

По чему се јонска кристална решетка разликује од ковалентне? Код ковалентних једињења, раздвајање наелектрисања има само делимичан карактер. Видели смо да једињењима која поседују поларност она омогућава јаче међумолекулске интеракције и да се због тога могу налазити у течним и чврстим агрегатним стањима. Код јонских једињења имамо дефинисано наелектрисање јона, које им омогућава далеко јаче привлачне силе. Због тога су јонска једињења готово увек у чврстом агрегатном стању и имају добро уређену унутрашњу структуру. Ове структуре називамо јонска кристална решетка. На примеру кристалне решетке натријум-хлорида (слика 4.12) можемо видети правилан понављајући распоред јона натријума и хлора у свим правцима. Такође је видљиво да кристал натријум-хлорида представља готово савршену коцку. Кристалне решетке могу имати различит просторни облик и, осим коцке, могу имати облике правоугаоне или косоугаоне призме, и друге (слика 4.13). Каква су физичка својства јонске кристалне решетке? За разлику од једињења која имају ковалентне везе, једињења са јонским везама одликују се готово увек чврстим агрегатним с тањем са јако високим температурама топљења. Ово имају да захвале управо изузетно јаким везама и густом паковању. О растворљивости ћемо детаљно дискутовати у следећем поглављу. Најбоље је све показати експериментом. Да бисте из прве руке видели сва физичка својства, сличности и разлике које проистичу из различитог карактера веза у различитим једињењима, урадите лабораторијску вежбу V.

Cl–

Na+

Слика 4.12. – Модел кристалне решетке натријум-хлорида NaCl

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА V Упоређивање својстава супстанци са јонском и супстанци са ковалентном везом

Модел кристалне решетке натријум-оксида (Nа2O)

Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребне епрувете са сталком, шпиритусна лампа, метална плочица, троножац, као и дестилована вода, етанол, лед, натријум-хлорид, шећер, кристали јода, плави камен (бакар(II)-сулфат пентахидрат), уље, сирће. Детаљно испитајте физичка својства свих једињења, као што су растворљивост у води, етанолу или хексану, температуру топљења и агрегатно стање при стандардним условима. Запишите своја запажања и забележите која једињења имају ковалентну, а која јонску кристалну решетку, као и она која су аморфна. Детаљна упутства за извођење вежбе наћи ћете у збирци на 26. страни. Уколико сте одлучили да загревате јод, пошто су испарења јода токсична, то урадите само уколико имате капелу (дигестор) и препустите извођење огледа наставнику!

Модел кристалне решетке магнезијум-оксида (MgO)

Модел кристалне решетке алуминијум-оксида (Al2O3)

Слика 4.13. – Примери кристалних решетки једињења Модел кристалне решетке магнезијум-хлорида Mg2+ и Cl-

ВАЛЕНЦА. ХЕМИЈСКЕ ФОРМУЛЕ И НАЗИВИ Колико веза могу да формирају атоми појединих елемената?

Kључне речи валентност валенца

Видели смо да неки од атома формирају једноструке, а неки двоструке и троструке везе. На најједноставнијем примеру водоника видели смо да он може да формира само једну једноструку везу. Способност неког атома да са водоником гради одређени број веза назива се валентност, а број веза које гради са водоником је валенца (на латинском језику valentia значи снага и капацитет). Притом је валенца водоника увек један, односно водоник је једновалентан. Како се пишу валенце? Валенца се означава римским бројевима и пише се изнад симбола атома у одређеном једињењу. Валенца је увек цео број. Погледајмо на примеру неколико једињења, која већ знамо, које су валенце атома у тим једињењима. Молекул хлороводоника, HCl, састављен је од једног атома водоника и једног атома хлора. Како хлор за себе може везати само један атом водоника, хлор је једновалентан (слика 4.14а). У молекулу воде, H2O, за један атом кисеоника везано је два атома водоника, па је тако кисеоник двовалентан (слика 4.14б). Амонијак, NH3, састоји се од три атома водоника који једноструким везама са азотом формирају ово једињење. Према томе, азот у амонијаку је тровалентан (слика 4.14в). Угљеник има четири електрона у својим валентним нивоима и да би постигао октет потребна су му још четири електрона. Због тога су му потребна четири водоникова атома са којима гради једноструке везе. Ово једињење се назива метан и угљеник је четворовалентан (слика 4.14г). Како одредити валенце елемената у једињењима која у свом саставу немају водоник? Овај задатак је врло једноставан уколико знамо да неки елементи имају увек исту валенцу. Како се кисеоник једини са два атома водоника градећи воду, његова валенца је два (II). И тако је и у свим другим једињењима, кисеоник је увек двовалентан. Уколико не 75

а)

б)

в)

г)

Слика 4.14. –Приказ молекула: а) хлороводиника; б) воде; в) амонијака; г) метана

знамо валенцу другог елемента са којим кисеоник гради једињење, али знамо његову формулу, врло лако можемо израчунати колика је валенца атома у том једињењу. У молекулу угљен-диоксида један атом угљеника је везан са две двоструке везе за два атома кисеоника. Како знамо да је кисеоник двовалентан, једно ставном рачуницом долазимо до закључка да је угљеник четворовалентан. Приметите да производ валенце и броја атома у једињењу мора да буде идентичан за све атоме који учествују у грађењу једињења састављеног од атома два елемента. x

CO2

Валенце атома у молекулу: IV II

1•X

CO2 Угљен-диоксид Угљеник(IV)-оксид

2 • II

2•2 1 x=4

Али немају сви елементи само једну валенцу. У угљен-моноксиду је један атом угљеника везан једном двоструком везом за један атом кисеоника. То значи да је у овом једињењу угљеник двовалентан. Занимљиво је да азот може имати чак пет валенци, од I до V, при чему смо као пример узели непарне валенце III и V. CO

N2O3

N2O5

1•X

= X=

1• II

1·2

2•X

3 • II

= X=

3·2

2•X

5 • II

= X=

5·2

X=2

X=3

X=5

Валенце атома у молекулу:

II II

III II

N2O3

N2O5

угљен-моноксид

азот-триоксид

азот-пентоксид

угљеник(II)-оксид

азот(III)-оксид

азот(V)-оксид

Ако знамо валенце атома елемената, како да напишемо формулу? Уколико знамо валенце елемената који изграђују неко једињење, врло лако можемо написати и његову формулу. То се ради тако што се најпре нађе најмањи заједнички садржалац (скраћено НЗС) за валенце елемената у том једињењу, а затим НЗС поделимо са валенцама и на тај начин добијамо број атома тог елемента у молекулу. У молекулу натријум-оксида валенца натријума је I, а кисеоника II. Како је НЗС за 1 и 2 управо 2, када поделимо НЗС са валенцама добијамо да се молекул једињења састоји од два атома натријума и једног атома кисеоника, Na2O. Валенца магнезијума је II и са кисеоником који има исту валенцу гради једињење са по једним атомом, односно MgO, јер је НЗС = 2 и након дељења са валенцама добијамо одговарајућу формулу. Ситуација је мало компликованија у вези са алуминијумом, чија је валенца III. Уколико гради оксид са кисеоником чија је валенца II, у том једињењу НЗС биће 6. Након поделе добијамо да се молекул састоји од два атома алуминијума и три атома кисеоника, Al2O3. I

III

НЗС = 2 2/I = 2

2/II = 1

НЗС = 6

НЗС = 2 2/II = 1

6/III = 2

2/II = 1

6/II = 3

Na2O

MgO

Al2O3

натријум-оксид

магнезијум-оксид

алуминијум-оксид

Како се на основу валенце дају називи једињењима? Како бисмо са сигурношћу могли да на основу назива једињења напишемо хемијску формулу једињења, и обрнуто, уколико знамо која је формула, постоје правила како се пише назив једињења. Ова правила су врло једноставна и интуитивна. За елементе који имају само једну валенцу која се увек јавља у једињењима, као на пример кисеоник и водоник, њихове валенце не наглашавамо. Валенце које морамо нагласити су оне које имају атоме елемената који могу имати више од једне валенце или, како их још називамо, поливалентне елементе. За њих у називу једињења, након назива атома, у загради римским бројем уписујемо и њихову валенцу у том једињењу. Између назива атомских врста се у називу, по правилу, пишу цртице. Тако је Al2O3 алуминијум-оксид, јер знамо да је валенца алуминијума увек три, а кисеоника два. Али је зато Fe2O3 гвожђе(III)-ок77

сид, јер постоји и FeO, гвожђе(II)-оксид. Да бисмо на основу назива знали о ком је једињењу реч, морамо за одређено једињење у називу писати и валенцу атома у том једињењу. У табели 4 можете наћи неке од елемената који имају сталну валенцу. Табела 4. Елементи са сталном валенцом Валенца

Елемент

H, Ag, F, елементи прве групе ПСЕ

O, Zn, елементи друге групе ПСЕ

III

Да ли постоје изузеци од правила за одређивање валенце? У молекулима елемената хлора, кисеоника и азота валенца се може одредити тек када погледамо Луисове структурне формуле тих елемената. У њима видимо да они формирају једноструке, двоструке и троструке везе, па су због тога и валенце у молекулима ових елемената I, II и III, односно хлор је једновалентан, кисеоник двовалентан, а азот тровалентан.

Хлор Cl2

Кисеоник O2

Азот N2

Угљеник у етану (C2H6) је на први поглед тровалентан, али из структурне формуле видимо да постоји и једна веза којом су атоми угљеника међусобно повезани, па је угљеник у овом једињењу ипак четворовалентан.

етан C2H6

Писање хемијских формула можете вежбати и коришћењем одговарајућих софтвера. 78

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је валентност? 2. Шта је валенца? 3. Одреди валенцу на основу формула: а) PbO2; б) ZnO; в) Cu2O; г)N2O3. 4. Састави формуле следећих једињења: а) тровалентног гвожђа и двовалентног сумпора; б) алуминијума и једновалентног хлора; в) магнезијума и једновалентног брома. 5. Напиши формуле следећих једињења: а) гвожђе(III)-оксид; б) азот(IV)-оксид; в) калијум-оксид; г) хлор(VII)-оксид.

Podsetnik P Супстанце изграђене од јонских једињења врло често имају унутрашње уређење јонске кристалне решетке. Њихове одлике су чврсто агрегатно стање и високе температуре топљења. Способност неког атома да с водоником гради одређени број веза назива се валентност, а број веза које гради с водоником је валенца. Валенца се обележава римским бројевима, који могу ићи од I до VIII и увек је цео број.

V. ХОМОГЕНЕ И ХЕТЕРОГЕНЕ СМЕШЕ

та су то смеше?

Материја у простору никада не мирује. Стално мења облик, а самим тим се и састав материје мења. Зато је веома тешко наћи чисте супстанце. Готово све супстанце у некој количини садрже у себи макар трагове других супстанци. Како је природно да су бар две и више супстанци помешане, овакве супстанце називамо смеше. У овом поглављу ћемо се позабавити смешама, њиховим врстама и налажењем у природи. Видећемо како се неки од састојака смеше могу одвојити и како се смеше могу правити, као и како да прецизно дефинишемо који су састојци смеша и колико их има.

Слика 5.1. – Смеша воде и мастила

СМЕШЕ: ВОДА И ВАЗДУХ Кључне речи смеша хомогена смеша хетерогена смеша

Да ли је вода за пиће чиста супстанца? Хајде да то проверимо. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и на очаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препу стите наставнику. За овај оглед су вам потребни вода из чесме и де стилована вода, сахатно стакло, дрвена хватаљка и шпиритусна лампа. Ставите неколико капи воде из чесме на сахатно стакло, а затим загревајте над пламеном шпиритусне лампе и пажљиво пратите шта се догађа. На сахатном стаклу ће остати све оно што се нала зило растворено у води, а што није могло бити упарено (слика 5.2). Поновите исти оглед са чистим сахатним стаклом и дестилованом водом. Објасните шта је то што је остало на сахатном стаклу након упаравања и запишите своја запажања. Слика 5.2. – Упаравање воде са сахатног стакла

Овај оглед нам је поуздано доказао да вода из чесме није чиста и да се у њој налазе и друге супстанце. То значи да је та вода заправо смеша. Али, на почетку овог огледа нисмо били у могућности да видимо било какву разлику између воде из чесме, која је смеша, и дестиловане воде, која је чиста супстанца. Управо зато смеше које у свим својим деловима имају исти састав називамо хомогене смеше, без обзира на то колико је састојака у тој смеши. Састојке хомогених смеша не можемо разликовати чак ни под микроскопом. И воде које се налазе свуда на планети Земљи – изворска, морска, речна, океанска, језерска, подземна и атмосферска вода су, у ствари, хомогене смеше које у себи садрже различите супстанце (слика 5.3). Од чега се састоји ваздух који удишемо? Ваздух је хомогена смеша гасова. Иако је нама најважнији гас кисеоник, који се налази у ваздуху и који стално удишемо, он није и најзаступљенији. Најзаступљенији је азот, који је због своје троструке везе јако инертан и стабилан. Поред ова два гаса ту је и угљен-диоксид, који излучујемо дисањем, мале количине племенитих гасова, као и микроскопске честице прашине које се не могу видети голим оком. У ваздуху се налази и одређена количина воде, која је у гасовитом стању (воду у гасовитом стању називамо и

Слика 5.3. – Различите врсте вода

водена пара), и она чини саставни и пожељан састојак ваздуха. Често у временској прогнози можете чути колика је влажност ваздуха. Да ли су вода и ваздух увек хомогене смеше?

Слика 5.4. – Чист планински ваздух

Слика 5.5. – Загађење воде

Неким данима када је врло хладно долази до формирања магле, која је заправо вода која се постепено кондензује. Оваква смеша, у којој се голим оком могу видети различити састојци, представља другу врсту смеша, а то су хетерогене смеше. У случају воде често можемо видети различите честице које се нису раствориле, и таква вода је хетерогена смеша. Речне и језерске воде, које су пуне разних супстанци које се не могу растворити, су хетерогене смеше. Због убрзаног индустријског развоја и повећане производње, неминовно долази и до стварања велике количине отпадних материја које загађују нашу животну средину. Отпадне воде су пример хетерогених смеша (слика 5.5). Испарења која настају из инду стријских и грејних постројења формирају дим, честице које се услед процеса сагоревања горива отпуштају у ваздух, који сада исто тако постаје хетерогена смеша (слика 5.6). Како можемо спречити загађење воде и ваздуха? Дим из аутомобила са унутрашњим сагоревањем садржи супстанце које не само да непријатно миришу, већ су и нездраве за све живе организме. Да би се спречило загађење, у аутомобиле се уграђују филтери који пречишћавају издувне гасове. Постоје и једноставнији начини спречавања загађења насталог деловањем аутомобила, а то су вожња бицикала или, једноставно, пешачење, кад год смо у прилици. Слична ситуација је и са водом. Сви индустријски комплекси, који емитују супстанце које штете и води и ваздуху, у обавези су да користе филтере за пречишћавање. Један од начина како и ми можемо помоћи да се загађење смањи јесте штедња. Рационалним коришћењем воде, струје, рециклажом одеће, обуће и других предмета за свакодневну употребу помажемо очувању наше животне средине. Да ли је људско тело смеша? Већ на први поглед се види да се наше тело састоји од различитих делова: коса, кожа, очи, нокти… У целини састављено од преко 60% воде, наше тело је хетерогена смеша (слика 5.7). 84

У којим све агрегатним стањима постоје смеше? Смеше постоје у сва три главна агрегатна стања: чврстом (челик, месинг, бронза су смеше метала са другим хемијским елементима које називамо легуре, а о којима ће бити више речи касније), течном (вода за пиће, сокови, медицински алкохол) и гасовитом (ваздух, дим, магла).

Podsetnik P Смеша се састоји од две или више различитих чистих супстанци. Смеше могу бити хомогене и хетерогене. Хомогене смеше су у свим својим деловима исте и њихов састав се не може разликовати ни под микроскопом. Хетерогене смеше су оне код којих јасно могу видети разлике у супстанцама од којих се састоји, било голим оком или под микроскопом. Слика 5.6. – Загађење ваздха други

водоник

угљеник

азот

10%

18%

вода

60%

Земљиште 65%

Ушећерен мед кисеоник

Слика 5.7. – Састав људског организма Слика 5.8. – Примери смеша

Вода и уље

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта су смеше? 2. Која је разлика између хомогених и хетерогених смеша? 3. Наведи неколико примера смеша из свакодневног живота; за сваку од њих одреди да ли је хомогена или хетерогена. 4. Заокружи слово испред супстанце која није смеша: а) изворска вода;

б) дестилована вода;

в) морска вода;

г) барска вода.

5. Дате смеше разврстај на хомогене и хетерогене: месинг, кока-кола, стакло, дим, кафа, гранит, мед са саћем, лимунада, кашасти сок.

Чоколадно млеко

Бронза

Процеђен чај

Чоколада

Парфем Јестиво уље

РАСТВОРИ Како направити раствор? ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД За овај оглед вам није потребна заштитна опрема. Овај оглед сте много пута до сада изводили и можете га извести и код куће. Потребни су вам чаша, кашика, шећер и вода. Сипајте воду у чашу, затим додајте кашику шећера и мешајте док се шећер потпуно не раствори у води. Честитамо, направили сте раствор!

Кључне речи раствор растварач растворена супстанца

Шта су раствори? Као што смо видели из демонстрационог огледа, раствори представљају смеше у којима је једна супстанца, коју називамо растворена супстанца, потпуно или делимично растворена (распршена, диспергована) у другој супстанци коју називамо растварач. Понекад се раствори називају још и дисперзни си стеми, при чему је растворена супстанца диспергована фаза, а растварач дисперзно средство. Да ли су раствори искључиво течни? Већина реакција у хемији се изводи у растворима, при чему се најчешће користе системи где је растворена супстанца чврста, а растварач течан, и углавном је то вода, односно водени раствор. Али, раствори могу бити и у чврстом агрегатном стању (легуре – челик, бронза, месинг...). Растварач је супстанца истог агрегатног стања као и раствор. Ако су растварач и раствор истог агрегатног стања, растварач је она супстанца које има у вишку. Међутим, када кажемо раствор, превасходно се подразумева да је то онај који је настао растварањем чврсте материје у течном растварачу. Некада се тешко може рећи шта је растварач. Раствори су хомогене смеше и величина честица у њима је до величине од 1 nm. Стабилни су на собној температури и њихов састав и својства се не мењају. Овакве растворе називамо и прави раствори. Слика 5.9. – Растварање чврсте супстанце у води

РАСТВАРАЊЕ И РАСТВОРЉИВОСТ Како растворљивост зависи од карактера везе у једињењима? Kључне речи растворљивост незасићен раствор засићен раствор презасићен раствор

Све супстанце смо грубо поделили на поларне и неполарне. Такође смо видели да агрегатна стања чистих супстанци зависе од карактера везе и од међумолекулских интеракција једињења од којих су те чисте супстанце изграђене. Управо се на основу карактера везе може предвидети како ће се нека супстанца растварати у растварачу. Показаћемо то кроз један оглед. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД

Слика 5.10. – Хетерогена смеша – хемијски коктел

Хемијски коктел Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Супстанце које се користе у овом огледу су токсичне. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам дестилована вода, хексан, угљен-тетрахлорид, кристални јод, кристални калијум-перманганат и кристални плави камен, као и мензура и уводна кашика. У мензуру најпре сипајте једну четвртину запремине мензуре угљен-тетрахлорида, затим једну четвртину воде и, на крају, једну четвртину запремине хексана. Угљен-тетрахлорид је неполаран растварач и гушћи је од воде, тако да ће вода, када се дода, јасно бити одвојена. Хексан је најређи и биће на површини воде, тако да ћемо имати три слоја које не треба мешати (слика 5.10). Уводном кашиком унесите најпре у угљен-тетрахлоридни слој на врх кашичице калијум-перманганата, пазећи да не мешате слојеве. У водени слој унесите на врх кашичице плави камен и, на крају, у хексански слој унесите мало јода. Оставите мензуру да неко време стоји и на крају запишите и објасните своја запажања. Једињења која су поларна добро ће се растварати у растварачима који су поларни и обрнуто, у неполарним растварачима се одлично растварају неполарне супстанце. Из огледа смо видели да се поларни и неполарни растварачи уопште не мешају, као и растворене супстанце које се нормално распоређују у растварач одговарајуће поларности. Зато се каже да се слично у сличном раствара. Једињења која имају поларну ковалентну или јонску везу ће се добро растварати у поларним растварачима, док ће се једињења

са неполарном ковалентном везом добро растварати у неполарним растварачима.

Хетерогена смеша – стена

Чоколада – слатка хетерогена смеша

Хомогена смеша воде и растворене супстанце

Слика 5.11. – Хомогене и хетерогене смеше

Како долази до растварања супстанци у растварачима? Важно је да се најпре сетимо из физике да су честице материје у сталном кретању, током којег се оне сударају једна са другом. Оног тренутка када помешамо растварач и супстанцу коју растварамо, креће процес растварања у ком се честице и растварача и растворене супстанце стално крећу, стално приближавају и одбијају, зависно од привлачних и одбојних међумолекулских интеракција. Оног трeнутка када је супстан89

ца коју растварамо потпуно распршена услед судара са честицама растварача, процес растварања је завршен. Ако наставимо да додајемо супстанцу и растварамо је у растварачу, у једном тренутку, када је додамо превише, она ће престати да се раствара. Тада више не добијамо хомоген, већ хетерогени раствор. Шта се догађа када желимо да растворимо превише супстанце у растварачу? Растварач не може да прими бесконачну количину супстанце коју растварамо. У одређену масу раствора, на одређеној температури, oдређене супстанце можемо да додајемо само до одређене количине. Ова количина супстанце која може бити додата у растварач назива се растворљивост. Растворљивост се најчешће изражава као маса супстанце која може да се раствори у 100 g растварача при нормалним условима. Раствор у који смо додали мање растворене супстанце од њене максималне растворљивости на тој температури назива се незасићен раствор, док се онај раствор који има максималну количину растворене супстанце назива засићен раствор. Додавањем нове количине супстанце у засићен раствор не долази до растварања те супстанце. Такав раствор назива се презасићен раствор. Како се растворљивост мења са температуром? Растворљивост се мења са променом температуре, као што табела 5 показује. Када су у питању чврсте супстанце, њихова растворљивост у води се углавном повећава са повећањем температуре, док се код гасова растворљивост углавном смањује. Показаћемо то кроз оглед. Табела 5. Растворљивост неких супстанци на различитим температурама, изражена у грамима, које се могу растворити у 100 грама настварача на датој температури Супстанца кухињска со (натријум-хлорид) шећер (сахароза) сода бикарбона (натријум-хидрогенкарбонат)

Растворљивост на температури од 20 °C

Растворљивост на температури од 60 °C

35,9

37,0

204,0

287,0

9,6

16,0

ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД За овај оглед потребни су вам натријум-ацетат, дестилована вода, лабораторијске чаше, вага, кашичица, троножац и шпиритусна лампа. У чаши одмерите 50 g натријум-ацетата, додајте 30 g дестиловане воде и ову смешу загревајте док се сав натријум-ацетат потпуно не раствори. Раствор оставите да се потпуно охлади, што можете убрзати стављањем загрејане чаше са раствором у већу чашу у којој се налази хладна вода. Када се раствор потпуно охлади, у њега убаците један мали кристал натријум-ацетата и пажљиво по сматрајте шта се догађа. Своја запажања запишите и објасните. Шта је то презасићен раствор? Како се са повећањем температуре растворљивост такође повећава, тако у загрејан растварач можемо додати више супстанце него на нижој температури. Растворљивост натријум-хлорида на 20˚C је 36 g на 100 g воде. Уколико воду загрејемо до кључања, односно 100˚C, моћи ћемо да растворимо 38 g натријум-хлорида. Ако овако направљен раствор охладимо поново на 20˚C, добићемо презасићен раствор. Уколико га оставимо да стоји, вишак од 2 g ће се искристалисати и пасти на дно суда. Овај процес се зато и зове кристализација. На сличан начин се може извршити и кристализација раствора који су засићени. Растворљивост кристалног шећера је 203,9 g на 100 g воде, при температури од 20˚C. Уколико засићени раствор кристалног шећера у води доведемо на температуру од 5˚C, што је температура коју има фрижидер за чување хране, доћи ће до кристалисања вишка, јер је на 5˚C растворљивост шећера 184,7 g на 100 g воде. Маса шећера који ће се искристалисати биће, према томе, 19,2 g. Објашњење за овакво понашање раствора лежи у кинетичкој енергији, коју растварач и растворена супстанца поседују на одређеној температури. Уколико је температура виша, количина енергије је већа и честице раствора се брже крећу, више сударају и, самим тим, супстанце се боље растварају. И обрнуто, на ниским температурама је растварање отежано и растворљивост је мања.

Слика 5.12. – Кристализација натријум-ацетата

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА VI Испитивање растворљивости супстанци Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам различити поларни и неполарни растварачи (вода, етанол, хексан, угљен-тетрахлорид) и супстанце које су вам доступне у складу с могућностима (натријум-хлорид, шећер, скроб, сунцокретово уље, сумпор итд.), као и чаше и епрувете. За огледе треба бирати супстанце којима се најмање утиче на животну средину. Унакрсно испитајте растворљивости одабраних једињења у растворима. Запажања детаљно запишите. Детаљна упутства за извођење вежбе налазе се у збирци Лабораторијске вежбе са задацима, страна 29.

Podsetnik P Раствори су чврсте или течне хомогене смеше

које се састоје од две или више чистих супстанци од којих се једна назива растварач, а остале растворене супстанце. Растварачем се сматра супстанца која је истог агрегатног стања као и раствор или која је у смеши у вишку уколико су сви састојци смеше истог агрегатног стања. Растварање је процес распоређивања (дисперговања) једне или више супстанци (растворених супстанци) у другој супстанци (растварачу). Растворљивост зависи од природе растварача и растворених супстанци и од температуре на којој се растварање врши. Растворљивост се изражава као маса супстанце која се може растворити у 100 g растварача при нормалним условима. Раствори могу бити незасићени, засићени и презасићени.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта су раствори? 2. Од чега се састоје раствори? 3. Заокружи слово испред појма који представља раствор: а) дим; б) магла; в) вода са чесме; г) водена пара. 4. Шта је растворљивост? 5. Како можемо поделити растворе према растворљивости? 6. Растворљивост калијум-перманганата у води на 30°С износи 9 g/100 g воде. Колико највише ове супстанце можемо растворити у 350 g воде на истој температури?

Слика 5.13. – Детаљ лабораторијске вежбе VI: испитивање растворљивости супстанци

МАСЕНИ ПРОЦЕНТНИ САСТАВ Како се описује састав смеша? Kључне речи масени процентни са став раствора квалитативни састав квантитативни састав

Како бисмо на прави начин одговорили на ово питање, морамо се осврнути на чињеницу да је хемија егзактна наука и да се, као и физика, служи математиком да би прецизно објаснила појмове и појаве из природе. Због тога се при сваком мерењу користимо SI системом мера и јединица. То значи да се за мерење масе користе килограми, као основна величина за одређивање колико нечега има. Овим начином мерења добијамо квантитативни састав. Квалитативни састав или квалитет је информација о томе чега све има у смеши, односно о саставу смеше. То значи да при опи сивању састава смеше морамо тачно да знамо сва једињења која улазе у састав смеше, као и колико је заступљено свако једињење у тој смеши. Али то није довољно једноставно. Нико не воли дуге спискове састава и количина. Зато су хемичари усвојили масени процентни састав који описује однос једињења која се налазе у некој посматраној смеши. То је згодно јер, ако знамо однос супстанци који је сталан, лако можемо израчунати тачан састав за било коју количину смеше. Шта је масени процентни састав? Однос између масе растворене супстанце (мрс) и укупне масе раствора (умр), изражен у процентима, представља масени процентни састав. Обележава се грчким словом омега (ω).

ω=

m (маса растворене супстанце) m (укупна маса раствора)

Или кратко:

m (мрс) ω = m (умр)

· 100%

Укупна маса раствора је збир масе растворене супстанце (мрс) и масе растварача (мр). Овај израз можемо записати и у следећем облику: m (мрс) · 100% ω= m (мрс) + m (мр) 94

Како се рачуна масени процентни састав неке смеше показаћемо помоћу једноставног задатка. Масени проценат раствора се такође може представити као број грама растворене супстанце који се налази у 100 g раствора (за разлику од растворљивости која представља максималан број грама супстанце који се може растворити у 100 g растварача). Осим помоћу формуле, масени процентни састав се може рачунати и помоћу пропорције. Пример 1. Израчунај процентну концентрацију раствора који настаје растварањем 50 g супстанце у 150 g воде. I начин (помоћу формуле) m(мрс) = 50 g m(мр) = 150 g m(умр) = 50 g + 150 g = 200 g ω ω=

m(мрс) m . 100% m m(умр) 50 g

ω = ω 200 g

. 100%

ω = 25% II начин (помоћу пропорције) 50 g растворене супстанце : 200 g раствора = x растворене супстанце : 100 g раствора x g · 200 g = 50 g · 100 g x = 25 g растворене супстанце у 100 g раствора x = 25 %

Пример 2. Израчунај процентну концентрацију раствора који садржи 10 g растворене супстанце у 200 g раствора. I начин m (мрс)=10 g m(умр)=200 g

ω ω= ω=

m(мрс) . 100% m(умр) 10 g 200 g

. 100%

ω = 5% II начин 10 g растворене супстанце : 200 g раствора = x растворене супстанце : 100 g раствора

x g · 200 g =10 g · 100 g x=

10 g . 100 g 200 g

x = 5 g растворене супстанце у 100 g раствора х = 5% Пример 3. Израчунај масу растворене супстанце и масу воде, које треба одмерити за припремање 500 g 25%-ног раствора. I начин m(умр)= 500 g ω = 25%

ω=

m(мрс) . 100% m(умр)

25% =

m (мрс) g 500 g

. 100%

m (мрс)= 25 . 5 g m (мрс)=125 g растворене супстанце m(мр)= m(умр) – m (мрс) = 500 g – 125 g = 375 g

II начин 25 g растворене супстанце : 100 g раствора = x растворене супстанце : 500 g раствора 25 g . 500 g x g · 100 g = 25 g . 500 g x= 100 g x =125 g растворене супстанце m(мр)= m(умр) – m (мрс) = 500 g – 125 g = 375 g

Podsetnik P Масени удео смеше представља однос или количник између масе растворене супстанце (мрс) и укупне масе раствора (умр). Уколико се масени удео представи у процентима онда се назива масени процентни састав, који се може посматрати и као маса растворене супстанце која се налази у 100 g раствора.

РАЗДВАЈАЊЕ САСТОЈАКА СМЕША Kључне речи раздвајање састојака смеше упаравање дестилација кристализација талог декантовање филтрирање одвајање магнетом

До сада смо разговарали о томе како да направимо смеше и растворе, али смо само између редова говорили о томе како да раздвајамо састојке смеше. Овај проблем је мучио људе од давнина. На јако досетљиве начине људи су се довијали како да пречисте воду, како да из мора добију со, како да пречисте злато. Све у свему, како да добију чисту супстанцу. Хемичари су све ове процесе додатно усавршили. Са којим смо се раздвајањима смеша до сада срели? Упаравање је први пример који смо користили да на основу разлике у температурама кључања одвојимо састојке смеше. Сетите се да се у води из чесме, осим саме воде, налазе и друге супстанце које смо изоловали упаравањем воде. Али тиме нисмо у потпуности раздвојили састојке јер је вода отишла неповратно у атмосферу. Уколико бисмо водену пару хладили, она би се у процесу кондензације поново вратила у течно стање (слика 5.14). Процес раздвајања састојака течне смеше физичким процесом упаравања, а потом кондензације издвојених састојака смеше, назива се дестилација. Дестилацијом не само да можемо пречистити воду у чисту супстанцу, већ је можемо и одвојити од састојака, што не бисмо могли на други начин.

ЗА ГР ЊЕ

ЕЊЕ

Слика 5.14. – Промена агрегатног стања воде услед загревања или хлађења

АЂ

ГАСОВИТО

ЕВА

ХЛ

ХЛАЂЕЊЕ

ЧВРСТО

ЗА

ГРЕВАЊЕ

ТЕЧНО

ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед саставите апаратуру као на слици. У балон за дестилацију ставите водени раствор који ћете дестиловати и уз помоћ наставника поставите остатак апаратуре како је приказано на слици 5.15. Кроз кондензатор пустите воду са чесме кроз одговарајућа црева, тако да смер воде прати стрелице које су приказане на слици. Ова вода ће хладити водену пару коју ћемо скупљати у прихватном суду. При загревању, не дозволите да раствор бурно кључа већ умерено. Пратите температуру, пажљиво посматрајте и запишите своја запажања. Скицирајте апаратуру за дестилацију у својој свесци. Уколико у смеши имамо састојке којима је температура кључања нижа од температуре кључања воде, та супстанца ће дестиловати прва. Због тога се увек води рачуна о температури на термометру. Пример за то је раздвајање смеше етанола и воде, јер етанол има нижу тачку кључања од воде (етанол 78˚C, вода 100˚C) и он ће дестиловати пре воде. Уколико пратимо промену температуре на термометру, пре него што се температура промени са смер протицања воде за хлађење кроз кондензатор

термометар

статив

хватаљка хладњак балон за дестилацију смер протицања воде за хлађење кроз кондензатор

азбестна мрежица

гасна грејалица чаша Слика 5.15. – Апаратура за дестилацију

80°C и крене да расте ка 100˚C, тада мењамо прихватни суд и почињемо са хватањем воде. У том случају ћемо имати два дестилата, две фракције, због чега овај начин дестилације називамо фракциона дестилација. А сада се сетите кише. Вода са свих водених површина (океана, мора, река, отворених флаша, са опраног веша…) испарава у атмосферу, кондензује се у облацима и враћа назад као киша (слика 5.16). Нема магије, киша је само последица кондензације претходно испареле воде, као код дестилације.

Слика 5.16. – Кружење воде у природи

100

Како раздвојити састојке хетерогених смеша и раствора? Хомогени засићени раствор можемо превести у хетерогени засићени раствор помоћу кристализације. Када смо искристалисали растворену супстанцу, потребно је само да одлијемо растварач. Исто је и за друге супстанце које су нерастворне у неком растварачу и падају на дно. Нерастворне супстанце на дну раствора називамо талог. Лаганим одливањем можемо одвојити талог и раствор, који се не мешају. Ова метода се назива декантовање (слика 5.17). Слика 5.17. – Декантовање

ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. Направите хетерогену течну смешу по избору (на пример, вода и активни угаљ, вода и земља за цвеће) и декантујте је када се талог слегне (слика 5.17). Запишите запажања и скицирајте поступак декантовања. Уколико се супстанца не раствара и не пада на дно, онда морамо да се послужимо цеђењем. Један од једноставних начина како се у лабораторији изводи цеђење је кроз филтер-папир који има мале поре кроз које вода може лако да прође, али не и веће честице из раствора. Овај начин цеђења се назива и филтрирање (слика 5.18). Зависно од величина пора филтер-папира или другог медијума кроз који цедимо (нпр. газа, вата), можемо раздвајати честице према величини. Направите хетерогену течну смешу по избору (на пример, вода и активни угаљ, вода и земља за цвеће, густи сок) и филтрирајте раствор, запишите запажања и скицирајте поступак филтрирања.

101

Слика 5.18. – Раздвајање смеше филтрирањем

Како раздвојити смеше чврстих супстанци? Како бисмо раздвојили супстанце из хомогене или хетерогене смеше, мора постојати неко физичко својство по којем се разликују. Један од примера је одвајање магнетом. Ова метода одвајања се служи својствима неких супстанци да су привучене магнетним пољем и тако се одвајају од оних на које магнетно поље не утиче. Слика 5.19. – Одвајање састојака смеше на основу магнетних својстава

ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребни чврст сумпор, опиљци гвожђа, папири и магнет. На једном папиру помешајте по 1 g гвожђа и сумпора, а затим испод папира провуците магнет (слика 5.19). Своја запажања запишите, скицирајте и објасните оглед.

Podsetnik P

Смеша се може раздвојити на своје састојке зависно од физичких својстава састојака те смеше. Зависно од температуре кључања састојака смеше, они се могу раздвојити упаравањем и дестилацијом. Уколико је смеша хетерогена или се може превести у хетерогено стање неком физичком променом као што је кристализација, састојци се могу одвојити декантовањем и цеђењем (филтрирањем). Састојци смеше који имају различита магнетна својства могу се одвојити магнетом.

102

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Наброј све поступке помоћу којих можемо раздвојити састојке неке смеше. 2. Који од наведених поступака се могу користити за раздвајање састојака хомогене смеше? 3. Који од наведених поступака се могу користити за раздвајање састојака хетерогене смеше? 4. Опиши поступак дестилације. 5. Предложи поступак за раздвајање: а) угља и гвожђа у праху; б) шећера и воде; в) алкохола и воде; г) песка и воде. 6. На основу којих својстава састојака си изабрао поступке за раздвајање?

103

VI. ХЕМИЈСКЕ РЕАКЦИЈЕ И ЈЕДНАЧИНЕ ХЕМИЈСКИХ РЕАКЦИЈА

104

та се подразумева под хемијском реакцијом? До сада смо углавном дискутовали о грађи супстанце и научили смо како да на прави начин обележавамо хемијске елементе и једињења. Доста смо говорили и о физичким и хемијским својствима супстанци, као и о главним физичким променама. Хемијска реакција представља сваку хемијску промену супстанце, при чему се добијају нове супстанце различитог састава од полазних. Како правилно представити хемијске промене?

Састав самих супстанци записује се хемијским симболима и формулама. Како хемијске супстанце учествују у хемијским променама, односно хемијским реакцијама, хемијским формулама врло лако можемо представити хемијске реакције. Овако представљене, својеврсне хемијске реченице називају се једначине хемијских реакција. О хемијским реакцијама и начинима записивања једначина хемијских реакција говорићемо у овом поглављу. ХЕМИЈСКЕ РЕАКЦИЈЕ

АНАЛИЗА

СИНТЕЗА

ЗАКОН ОДРЖАЊА МАСЕ

ЗАКОН СТАЛНИХ ОДНОСА МАСА

ЈЕДНАЧИНЕ ХЕМИЈСКИХ РЕАКЦИЈА КОЛИЧИНА СУПСТАНЦЕ ХЕМИЈСКО ИЗРАЧУНАВАЊЕ ТЕХИОМЕТРИЈА

105

Слика 6.1. – Главни појмови које можемо пронаћи у једначинама хемијских реакција

ХЕМИЈСКЕ РЕАКЦИЈЕ Шта доводи од хемијске реакције?

Кључне речи хемијска реакција реактанти реакциони производи анализа синтеза

Да би дошло до хемијске реакције између две супстанце, потребно је да се њихови молекули односно атоми сударе. Али није довољно да се молекули физички приближе један другом и да дође до судара, већ се молекули морају сударити одређеном оријентацијом и морају поседовати довољно енергије да дође до прегруписавања атома у нова једињења и супстанце. На овај начин долази до раскидања старих хемијских веза и стварања нових веза између атома у хемијској реакцији. Притом, сетимо се да се полазне супстанце пре хемијске промене називају реактанти, а новонастале супстанце реакциони производи. Зависно од тога каква је сложеност реактаната и производа реакције, разликујемо два основна типа реакција. Анализа (на грчком αναλυσζ – analisis) је хемијска реакција разлагања у којој од једне чисте супстанце настају две или више чистих супстанци. Синтеза (συντεσιζ – sintesis) је хемијска реакција којом се од две или више чистих супстанци добијају нове чисте супстанце. АНАЛИЗА С ЛОЖЕНА

ЈЕДИЊЕЊА

Ј Е Д Н О С ТА В Н И Ј А Ј Е Д И Њ Е Њ А

ЕЛЕМЕНТИ

СИНТЕЗА

ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД 1 Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребни сахатно стакло или епрувета, дрвена штипаљка, шпиритусна лампа и кристал-шећер. Ставите једну кашичицу кристал-шећера у епрувету или на сахатно стакло, а затим лагано загревајте на шпиритусној лампи. 106

Посматрајте како кристали од беле боје прелазе у наранџасту, па у браон и, на самом крају, у црну. Запишите своја запажања и обја сните ову хемијску реакцију. Наведите да ли се ради о реакцији анализе или синтезе. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД 2 Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребни аван са тучком, порцелански лончић, троножац са троуглом, шпиритусна лампа или Бунзенов пламеник, гвожђе и сумпор у праху. Одмерите 0,7 g гвожђа у праху и 0,4 g сумпора у праху, и у порцеланском авану их добро измешајте и сједините. Затим смешу пренесите у порцелански лончић и загревајте на пламену док реакција не започне (слика 6.2). Када се реакција заврши, оставите ужарену масу да се потпуно охлади и уситните је у авану. Испитајте магнетна својства и боју и реактаната и реакционих производа. Своја запажања објасните и забележите у свеску. Наведите да Слика 6.2. – Демонстрација огледа ли се ради о реакцији анализе или синтезе.

Podsetnik P

Хемијска реакција је промена у структури полазних супстанци (реактаната) и настајање нових супстанци (производа) које се по саставу и својствима разликују од полазних. Синтеза је хемијска реакција у којој од две чисте супстанце настају једна или више нових супстанци. Анализа је хемијска реакција у којој од једне сложене чисте супстанце настају две или више чистих супстанци.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта су хемијске реакције? 2. Како представљамо хемијске реакције? 3. Која је разлика између реакција анализе и реакција синтезе? 4. Наведи примере неких хемијских реакција које се дешавају у природи. 5. За сваку од наведених реакција одреди да ли се ради о реакцији анализе или реакцији синтезе: а) угљеник(II)-оксид + кисеоник угљеник(IV)-оксид; б) гвожђе + кисеоник гвожђе(III)-оксид; в) вода водоник + кисеоник. 107

ЗАКОН О ОДРЖАЊУ МАСЕ Кључне речи Закон о одржању масе

Да ли се при хемијским реакцијама мења укупна маса супстанци? Не. Укупна маса супстанци пре и након огледа се не мења. Сетите се да се материја не може уништити. Она само може мењати облике. Погледајмо то на неколико примера. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребни сахатно стакло или стаклена плочица, свећа, вага и већа чаша, као и упаљач. Одмерите свећу заједно са стакленом плочицом, а затим запалите свећу и посматрајте да ли јој се мења маса. Исти оглед поновите, али тако што ћете свећу одмерити заједно са стакленом плочицом и одговарајућом чашом која може поклопити свећу. Након што запалите свећу, одмах је поклопите чашом (слика 6.3). Забележите да ли је дошло до промене у маси у оба случаја и објасните у чему је разлика. Након што се свећа угасила, видимо да не долази до промене

Слика 6.3. – Илустрација демонстрационог огледа

108

масе. На основу овог огледа можемо закључити да је укупна маса реактаната једнака укупној маси производа реакције. Ово правило је заправо закон, Закон о одржању масе, који гласи: Укупна маса реактаната једнака је укупној маси реакционих производа. Открили су га Михаил Васиљевич Ломоносов 1756. године и Антоан-Лоран Лавоазије 1778. године, и тиме потврдили становиште да се материја не може уништити. Неки ће рећи да је ипак дошло до промене у маси у првој реакцији, али то није тачно. Управо је поклапање чашом спречило да производи реакције сагоревања оду у атмосферу и нестану. С обзиром на то да смо поклапањем чашом спречили доток кисеоника који је потребан за сагоревање свеће, након што је потрошен сав кисеоник из чаше, свећа се угасила.

ЈЕДНАЧИНЕ ХЕМИЈСКИХ РЕАКЦИЈА Шта се представља једначинама хемијских реакција? Као што смо хемијским симболима представљали елементе, хемијским формулама хемијска једињења и молекуле, исто тако ћемо представљати хемијске промене уз помоћ једначине хемијске реакције. Како се пише једначина хемијске реакције видећемо на неколико примера.

Слика 6.4. – Михаил Васиљевич Ломоносов (Михаил Васильевич Ломоносов), руски писац и ерудита; дао доприносе на пољима књижевно сти, физике, астрономије, хемије Кључне речи једначина хемијске реакције коефицијент

Како се пише једначина хемијске реакције добијања хлороводоника? Хлороводоник или хлороводонична киселина је реакциони производ који се добија у реакцији молекула водоника и хлора, који су реактанти. Уколико хемијским формулама представимо реактанте и реакционе производе, већ смо делимично написали хемијску реакцију. Уместо знака једнакости, у једначини хемијске реакције ставља се стрелица која нам указује на смер одвијања реакције, што је слева надесно. H2

Cl2

РЕАКТАНТИ

2HCl

СТРЕЛИЦА

РЕАКЦИОНИ ПРОИЗВОД

Потребно је да се још побринемо око тога да је испоштован Закон одржања масе. То значи да с леве и десне стане стрелице морамо имати исти број атома елемената, односно реакција мора да 109

Слика 6.5. – Антоан-Лоран Лавоазје (Antoine Laurent Lavoisier), француски хемичар

буде изједначена. Како с леве стране у реактантима имамо по два водоника и два хлора, толико треба да их буде и с десне стране у производима. Како да, не мењајући хемијске формуле, изједначимо једначину хемијске реакције? Када смо написали тачне формуле реактаната и производа, а то значи да нема више мењања бројева у индексу, како бисмо изједначили једначину испред хемијске формуле молекула елемената уписујемо број који се назива коефицијент. Коефицијент нам казује колико атома или молекула одређене супстанце учествује у датој реакцији. У примеру добијања хлороводоника од по једног молекула елемената водоника и хлора, добијају се два молекула хлороводоника. Због тога испред хемијске формуле хлороводоника пишемо коефицијент 2 и једначина хемијске реакције је изједначена. H2

молекул водоника

Cl2

2HCl

молекул хлора

два молекула хлороводоника

Како се пише једначина хемијске реакције добијања соли натријум-хлорида?

Слика 6.6. – Реактанти и производ реакције добијања натријум-хлорида

2Na

два атома натријума

Cl2

молекул хлора 110

2NaCl

два молекула натријум-хлорида

Како се пише једначина хемијске реакције добијања воде?

2H2

два молекула водоника

2H2O

молекул кисеоника

два молекула воде

Слика 6.7. – Реактанти у процесу добијања воде

Пређимо на неке компликованије примере. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребни сталак са епруветама, кашичица, чврст натријум-хидрогенкарбонат, сирћетна киселина, раствори натријум-хлорида, сребро-нитрата, баријум-хлорида и натријум-сулфата. Најпре у једну епрувету ставите пола кашичице чврстог натријум-хидрогенкарбоната, а затим у капима додајте сирћетну киселину до престанка издвајања мехурића. Запишите запажања. У другу епрувету сипајте до трећине њене запремине раствор натријум-хлорида, а затим у капима додајте раствор сребро-нитрата (слика 6.8). Исти оглед поновите користећи растворе баријум-хлорида и натријум -сулфата (слика 6.9). Запишите запажања. 111

Слика 6.8. – Реакција између натријум-хлорида и сребро-нитрата приказана у два корака.

Слика 6.9. – Реакција између натријум-сулфата и баријум-хлорида

Објаснимо једначинама хемијске реакције које су се догодиле. У првој реакцији смо добили мехуриће који су резултат хемиј ске реакције између натријум-хидрогенкарбоната и сирћетне киселине. NaHCO3 + натријум-бикарбонат

CH3COOH сирћетна киселина

CH3COONa + H2O натријумвода -ацетат

+ CO2 угљеник(IV)-оксид

У другој и трећој реацији долази до формирања нових једињења, што можемо видети као појаве белог талога. Једињење које се таложи у једначинама хемијских реакција се подвлачи и обележава тако што се иза њега дописује стрелица усмерена надоле. натријум-хлорид

сребро-нитрат

сребро-хлорид

натријум-нитрат

NaCl

AgNO3

AgCl

NaNO3

BaCl2

Na2SO4

BaSO4

2 NaCl

баријум-хлорид

натријум-сулфат

баријум-сулфат

два молекула натријум-хлорида

Исто као што хемијски симболи и хемијске формуле квалитативно и квантитативно представљају елементе и једињења, тако и једначинама квантитативно и квалитативно представљамо хемијске реакције.

Слика 6.10. − Реакција таложења сребро-хлорида

112

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Како гласи Закон о одржању масе? 2. Колико грама натријум-хлорида ће настати уколико реагује 46 g натријума са 142 g хлора? 3. Изједначи једначине хемијских реакција: а) N2 + O2 NO б) Na2O + H2O NaOH в) N2O5 + H2O HNO3 г) N2 + O2 N2O3 4. Састави једначине хемијских реакција између: а) натријума и кисеоника, при чему настаје натријум-оксид; б) живе и сумпора, при чему настаје жива(II)-сулфид (HgS). 5. Уради вежбу VIII из збирке, стр. 33.

Podsetnik P Закон о одржању масе гласи: Укупна маса реактаната једнака је укупној маси реакционих производа. Хемијске реакције се представљају једначинама. У једначини хемијске реакције приказани су са леве стране хемијски елементи и једињења који учествују у реакцији, а са десне једињења или елементи који се добијају. Уместо знака једнакости пише се одговарајућа стрелица, која означава смер у коме се хемијска реакција одвија. Незаобилазна ставка реакције је и однос реактаната и реакционих производа, који се наглашава коефицијентима.

113

VII. ИЗРАЧУНАВАЊА У ХЕМИЈИ

114

ао што смо већ рекли, хемија је егзактна наука и служи се математичким израчунавањима како би на квантитативан и квалитативан начин исправно и тачно описала супстанце и хемијске промене супстанци. Како на једноставан начин можемо сазнати количину неке супстанце? Поново смо у позицији да су пред нама питања која су хемичари већ постављали и о њима дискутовали. Из њихових истраживања су проистекли закључци који су формулисани у оквиру закона који нам могу помоћи у даљем изучавању хемије. И нису само хемија и примењене науке напредовале и напредују захваљујући управо овим законитостима, којима ћемо се позабавити баш у овом поглављу. Онe представљају основне или прве принципе на којима се базира функционисање природе и њима се могу обја Слика 7.1. – Уредно бележење података је саставни део рада у свакој хемијској снити бројне појаве и промене. лабораторији.

115

РЕЛАТИВНА АТОМСКА И РЕЛАТИВНА МОЛЕКУЛСКА МАСА Кључне речи унифицирана атомска јединица масе релативна атомска маса релативна молекулска маса

Шта се подразумева под релативном атомском масом? Како бисмо могли да на прави начин одговоримо на ово питање, морамо се вратити на лекцију o атомским и масеним бројевима и изотопима. Видели смо да је маса протона и неутрона јако слична и да они имају 1.800 пута већу масу од електрона, па зато они носе масу самог атома. Како бисмо били сигурни да та разлика у маси између протона и неутрона не изазива проблем при мерењу, ми ћемо масу атома рачунати преко нуклеона, што је заједнички назив за протон или неутрон. Маса нуклеона се назива још и унифицирана атомска јединица масе. Добија се тако што се маса угљениковог изотопа12C, који има 6 протона и 6 неутрона што је у збиру 12 нуклеона, подели са 12 и тиме се добије маса једног нуклеона, односно унифицирана атомска јединица масе. Ова маса се обележава латиничним словом u и износи u = 0,00000000000000000000000167 g или 1,67 · 10-27 kg. Уколико масу неког атома поредимо са масом унифициране атомске јединице масе, добијамо релативну атомску масу. Она се обележава слично као и масени број, латиничним словима Ar и нема јединицу.

Пример 1. Израчунај релативну атомску масу флуора ако је стварна маса атома флуора 3,173 · 10-23g. Ar(F) = ? ma = 3,173 · 10-23g u = 1,67 · 10-24g Ar = ma u Ar(F) = 19

116

Пример 2. Израчунај стварну масу атома кисеоника ако је релативна атомска маса 16. ma=? Ar(O) = 16 u = 1,67 · 10-24g ma = Ar · u ma = 16 · 1,67 · 10-24g ma = 26,72 · 10-24g ma = 2,672 · 10-23g

Стварна маса атома кисеоника износи 2,672 · 10-23g. Да ли је релативна атомска маса исто што и масени број? Иако су слични, релативна атомска маса није исто што и масени број. Док се масени број односи на појединачни атом, релативна атомска маса неког елемента представља средњу вредност свих изотопа датог елемента. Један од примера је хлор, који у природи има два изотопа. На свака три атома хлора са масеним бројем 35 долази један са масеним бројем 37, односно елементарни хлор је у природи заступљен као стабилни изотоп 35 са 76% и стабилни изотоп 37 са 24% удела. Када се прерачуна средња вредност, релативна атомска маса хлора је 35,5. Ево и рачуна: 35 . 0,76 + 37 . 0,24 = 35,48 = 35,5. У Периодном систему елемената су дате увек релативне атом ске масе елемената. Како се израчунава релативна маса молекула? Сада када знамо шта је релативна атомска маса, можемо почети да је користимо. Уколико саберемо релативне атомске масе свих атома који изграђују један молекул, добићемо релативну молекулску масу тог молекула. Она се такође добија поређењем масе молекула са масом унифициране атомске јединице масе или једне дванаестине масе угљениковог изотопа 12C. Обележава се латиничним словима Mr и нема јединицу. 117

Израчунај релативне молекулске масе: а) молекула сумпора (S8); б) воде (H2O); в) амонијака (NH3); г) калцијум-хидроксида (Ca(OH)2). а) Ar(S)=32 Mr(S8) = 8 ∙ Ar(S) = 8 ∙ 32 = 256 б) Аr(H) = 1, Ar(O) = 16 Mr(H2O) = 2 ∙ Ar(H) + Ar(O)= 2 ∙ 1 + 16 = 18 в) Аr(H) = 1, Аr(N) = 14 Mr(NH3) = Ar(N) + 3 ∙ Ar(H) = 14 + 3 ∙ 1 = 17 г) Аr(Ca) = 40, Аr(H) = 1, Ar(O) = 16 Mr(Ca(OH)2) = Ar(Ca) + 2 ∙ Ar(O) + 2 ∙ Ar(H) = 40 + 2 ∙ 16 + 2 ∙ 1 = 74

Podsetnik P Релативна атомска маса елемента Ar је однос просечне масе атома неког елемента и унифициране атомске јединице масе. Релативна молекулска маса је однос масе неког молекула и унифициране атомске јединице масе. Релативна молекулска маса се може добити сабирањем релативних атомских маса свих атома који изграђују дати молекул.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Због чега су уведени појмови релативне атомске и релативне молекулске масе? 2. Шта је релативна атомска маса и како се обележава? 3. Шта је релативна молекулска маса и како се обележава? 4. Израчунај релативну атомску масу хелијума, ако знамо да је стварна маса атома хелијума 6,68 ∙ 10-24 g. 5. Израчунај стварну масу атома сумпора. 6. Израчунај релативне молекулске масе датих једињења: а) CH4;

б) N2;

в) N2O3;

г)NH4Cl. 118

КОЛИЧИНА СУПСТАНЦЕ, МОЛ И МОЛАРНА МАСА Хемичари се труде да математичким формулацијама елегантно дефинишу природне законитости које могу лако да се представљају и лако памте једном када разумемо њихову логику.

Кључне речи количина супстанце мол Авогадров број

Да ли постоји начин да у сваком тренутку на основу масе знамо колико тачно има неке супстанце? Ово питање има дугу историју, која се још увек одвија са напретком науке. И многи научници бавили су се овом темом. Неке од њих смо већ помињали у овој књизи, као рецимо Џона Далтона. Количина супстанце је једна од основних физичких величина. Њена јединица је мол, од немачке речи molekül, што значи молекул. Обележава се малим латиничним словом n и има јединицу mol. Шта је мол? Мол је она количина супстанце која садржи 6,02214076 · 10 23 елементарних честица. Овај број се назива Авогадров број или Авогадрова константа, по физичару из Торина, Амeдеу Авогадру. Обележава се са NA и има јединицу 1/mol. Погледајмо шта то практично значи. Један мол угљениковог изотопа 12 (што је масени број тог атома) је 12 грама. Један мол неке чисте супстанце има Авогадров број честица. То значи да 12 грама угљеника има Авогадров број честица. Слично је и за друге атоме Периодног система, с тим што се за њих не узима масени број већ релативна атомска маса. Овај принцип приказан у табели 6 је исти и за молекуле, при чему користимо релативну молекулску масу. Амедео Авогадро, из племићке породице тадашње Краљевине Сардиније, првобитно је дипломирао право када је имао 20 година. Убрзо је од права одустао и посветио се физици и математици. Објавио је 1811. године свој рад о одређивању релативних молекулских маса, што је уједно и предмет ове лекције. Из тог разлога, Авогадров број или константа је добио назив по њему и, уз корекције, користи се више од два века.

119

Слика 7.2. – Амeдео Авогадро (Amedeo Carlo Avogadro), италијански хемичар

Табела 6. Повезаност броја молова, масе и броја честица атома и молекула Релативна атомска или молекулска маса C 12 Cl 35,5 Fe 56 H2O 18 CO2 44 NH3 17

Број молова

Маса

Број честица

1 mol 1 mol 1 mol 1 mol 1 mol 1 mol

12 g 35,5 g 56 g 18 g 44 g 17 g

6,02214076 · 1023атома 6,02214076 · 1023атома 6,02214076 · 1023атома 6,02214076 · 1023молекула 6,02214076 · 1023молекула 6,02214076 · 1023молекула

Шта је моларна маса? Моларна маса је маса једног мола хемијског елемента или хемијског једињења. Она је једнака релативној атомској маси за атоме или за јоне (сетите се да електрони не учествују у маси!). За молекуле је она једнака релативној молекулској маси. Означавамо је великим латиничним словом M и има јединицу g/mol. Колико молова има у одређеној маси супстанце?

а)

Слика 7.3. – Један мол супстанци: а) бакра; б) воде

б)

Прво морамо знати која је то супстанца и да ли је чиста. Уколико знамо да је чиста и знамо њен хемијски састав, једноставним мерењем помоћу ваге можемо да сазнамо и број молова и број честица. Узмимо за пример бакар и воду (слика 7.3). Измерили смо супстанце на ваги и утврдили да од сваке имамо по 1 грам. Из таблице Периодног система знамо да су: M (Cu) = 63,6 g/mol M (H2O) = 18,0 g/mol

Одмерена маса за сваку супстанцу је: m=1g Колики је онда број молова? n = ? mola

120

Из израза за број молова добијамо: Бакар n

Вода

m M

n (H2O) =

n (Cu) = 0,0157 мола

m(H2O) M(H2O)

n (H2O) = 0,0556 мола

Podsetnik P Количина супстанце n је основна физичка величина која је мера броја елементарних честица (где елементарне честице могу бити атом, молекул, јон, било која друга честица или одређена група честица). Мол (mol) је јединица за количину супстанце. Један мол садржи тачно 6,02214076 · 1023 елементарних честица. Овај број је Авогадрова константа или Авогадров број, NA, и изражава се јединицом 1/mol.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је мол? 2. Колико износи Авогадров број? 3. Шта је моларна маса? 4. Израчунај моларне масе: а) N2;

б) CO2;

в) H2SO4.

5. Израчунај количину молекула кисеоника ако њихова маса износи 64 g. 6. Израчунај масу 2 mol Al2O3.

121

ЗАКОН СТАЛНИХ МАСЕНИХ ОДНОСА Кључне речи Закон сталних масених односа

Жозеф Пруст (слика 7.4) је француски научник који је 1794. године приметио да се елементи међусобно једине у тачно одређеним и сталним масеним односима када дају исто једињење, при чему је састав једињења увек исти. Већ смо видели у демонстрационом огледу, у ком смо направили смешу гвожђа и сумпора, да се састојци ове смеше могу врло лако раздвојити на основу магнетних својстава гвожђа. Уколико се ова смеша загреје долази до хемијске реакције којом настаје ново једињење, гвожђе(II)-сулфид, које има различита физичка и хемијска својства од полазних хемијских елемената, гвожђа и сумпора. У ком односу се једине гвожђе и сумпор? Уколико напишемо хемијску једначину ове реакције видећемо да се тачно један атом гвожђа једини са тачно једним атомом сумпора, при чему настаје један молекул гвожђе(II)-сулфида. Fe Ar (Fe) = 56

Слика 7.4. – Жозеф Пруст (Joseph Proust), француски научник

FeS

Ar (S) = 32

Mr (FeS) = 88

Уколико се у смеши нађе вишак гвожђа или сумпора, овај вишак неће учествовати у реакцији и остаће непромењен. Видимо да се гвожђе и сумпор једине само у једном односу својих маса. Уколико скратимо њихове масе на мале целе бројеве, добићемо следећи масени однос: Ar (Fe) = 56 7

: :

Ar (S) = 32 4

/:8

Пруст је приметио да се елементи међусобно једине у тачно одређеним и сталним масеним односима када дају исто једињење и из тог разлога је формулисао Закон сталних масених односа, који се њему у част понекад назива и Прустов закон.

122

Podsetnik P Закон сталних масених односа или Прустов закон каже да се елементи међусобно једине у тачно одређеним и сталним масеним односима када дају исто једињење. Према томе, састав истих хемијских једињења је сталан без обзира на начин њиховог добијања.

Слика 7.5. – Пруст у својој лабораторији

123

МАСЕНИ ПРОЦЕНТНИ САСТАВ ЈЕДИЊЕЊА Колики је масени процентни састав гвожђе(II)-сулфида? Кључне речи масени процентни састав једињења

Видели смо да је однос маса у једињењу увек исти. Према томе, састав једињења можемо врло лако изразити и преко масеног процентног састава једињења. Слично као код масеног процентног састава смеша или раствора, маса самог једињења је 100 g односно 100%, док ће масе елемената који граде једињење бити заправо њихова процентна заступљеност у самом једињењу.

Ar (Fe) = 56 Ar (S) = 32 Mr (FeS) = 88 56 : 88 = x : 100% x = 63,64% гвожђа 100% – 63,64% = 36,36% сумпора Пример 1. Израчунај масени процентни састав елемената у фосфорној киселини (H3PO4). Ar(H)=1 Ar(P)=31 Ar(O)=16 Mr(H3PO4) = 3 ∙ Ar(H) + Ar(P) + 4 ∙ Ar(O) = 3 ∙ 1 + 31 + 4 ∙ 16 = 98 Задатак можемо урадити на два начина. I начин − пропорцијом Масени процентни састав водоника 3 ∙ Ar(H) : Mr(H3PO4) = x : 100%

124

3 : 98= x : 100% 98 ∙ x = 3 ∙ 100% х = 3,1% Масени процентни састав фосфора Ar(P) : Mr(H3PO4) = x : 100% 31 : 98 = x : 100% 98 ∙ x = 31 ∙ 100% х = 31,6% Масени процентни састав кисеоника 4 ∙ Ar(О) : Mr(H3PO4) = x : 100% 64 : 98 = x : 100% 98 ∙ x = 64 ∙ 100% x = 65,3%

II начин − преко формуле масени процентни садржај елемената у једињењу =

x · Ar(Е)

· 100% Mr x · Ar(E) 3·1 масени процентни садржај водоника = · 100% = · 100% Mr 98 x · Ar(E) 3·1 · 100% = · 100% = 3,1% Mr 98 x · Ar(E) 31 масени процентни садржај фосфора = · 100% = · 100% Mr 98 x · Ar(E) 31 = · 100% = · 100% = 31,6% Mr 98 масени процентни садржај кисеоника x · Ar(E) Mr

· 100% =

4 · 16 98

· 100% =

x · Ar(E) Mr 125

· 100% =

4 · 16 98

· 100% = 65,3%

Podsetnik P

Масени процентни састав једињења је маса елемента који се налази у 100 g, односно 100% тог једињења. Маса самог једињења је 100%, док ће масе елемената који граде једињење бити њихова процентуална заступљеност у самом једињењу.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Који научник је формулисао Закон сталних масених односа? 2. Како гласи овај закон? 3. Одреди односе маса елемената у датим једињењима: а) SO2; б) CO2; в)CaSO4. 4. Однос маса гвожђа и кисеоника у неком једињењу је 7:3. Одреди формулу тог једињења. 5. Одреди масени процентни састав елемената у датим једињењима: а) N2O5; б) CaCO3; в) H2SO4.

126

ИЗРАЧУНАВАЊА НА ОСНОВУ ЈЕДНАЧИНА ХЕМИЈСКИХ РЕАКЦИЈА Шта је стехиометрија?

Стехиометрија представља прорачун реактаната и производа у хемијским реакцијама. Назив потиче од грчких речи stoiheion (στοιχεϊον), што значи елемент, и metron (μέτρον), што значи мера. Видели смо да нам писање једначина хемијских реакција омогућава увид у то које све супстанце учествују у реакцији и које све нове супстанце добијамо у тој реакцији, односно квалитативна својства реакције. Сетите се да се хемијске реакције одигравају по Закону о одржању маса. Али, из једначине можемо сазнати много више. Стехиометрија је управо квантитативни опис хемијских реакција. Погледајмо шта све можемо квантитативно и квалитативно сазнати из једне реакције добијања алуминијум(III)-оксида.

4Al Број молова (n)

Број честица (N)

Маса (m)

4 мола алуминијума 4 · 6 · 1023 = 24 · 1023 атома алуминијума 4 mol · 27 g/mol = 108 g

+ :

3O2

3 мола кисеоника 3 · 6 · 1023 = 18 · 1023 молекула кисеоника 3 mol · 32 g/mol = 96 g

Из једначине хемијске реакције врло једноставним стехиометријским израчунавањем можемо доћи до односа који нам могу помоћи да сазнамо тачне количине сваког учесника реакције, почев од реактаната до производа. Притом обратите пажњу да збир маса реактаната мора бити једнак збиру маса производа у било којој једначини хемијске реакције.

127

Kључне речи стехиометрија

2Al2O3

2 мола алуминијум-оксида 2 · 6 · 1023 = 12 · 1023 молекула алуминијум-оксида 2 mol · 102 g/mol = 204 g

Пример 1. Колико се молова алуминијум-оксида добија реакцијом 6 mol молекула кисеоника са одговарајућом количином алуминијума?

4Al

3O2

2Al2O3

Први корак је да напишемо и изједначимо једначину хемијске реакције. Из једначине видимо да се из 3 mol молекула кисеоника добија 2 mol алуминијум-оксида. Постављамо пропорцију: 3 mol : 2 mol = 6 mol : x 3 mol ∙ x = 2 mol ∙ 6 mol x=

2 mol ∙ 6 mol 3 mol

x = 4 mol Al2O3 Пример 2. Колико се молова алуминијум-оксида добија у реакцији 96 g кисеоника са одговарајућом количином алуминијума?

4Al

3O2

2Al2O3

Први корак је да напишемо и изједначимо једначину хемијске реакције. Из једначине видимо да се из 3mol молекула кисеоника добија 2 mol алуминијум-оксида. Користећи моларну масу (М(О2) = 32 g/mol) израчунаћемо масу 3 mol кисеоника. m=M∙n m = 32 g/mol ∙ 3 mol m = 96 g

128

Постављамо пропорцију:

96 g : 2 mol = 96 g : x 96 g ∙ x = 2 mol ∙ 96 g x=

2 mol ∙ 96 g 96 g

x = 2 mol Al2O3.

Podsetnik P Стехиометрија представља прорачун реактаната и производа у хемијским реакцијама. Збир маса реактаната мора бити једнак збиру маса производа у било којој једначини хемијске реакције.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Израчунај количину амонијака који настаје у реакцији 9 mol водоника са одговарајућом количином азота. N2 + 3H2 2NH3 2. Колико молова кисеоника је потребно да би у реакцији са одговарајућом количином водоника настало 72 g воде? 3. Израчунај масу калцијума потребну за реакцију са 2 mol молекула кисеоника. 4. Израчунај масу натријума потребну да у реакцији са одговарајућом количином хлора настане 508 g кухињске соли (NaCl). 5. Израчунај масу угљен-диоксида која настаје у реакцији 92 g угљеника са одговарајућом количином кисеоника.

129

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА IХ Mерење масе супстанце и израчунавање моларне масе и количине супстанце Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребне су вам различите чисте супстанце које су вам доступне у складу с могућностима, техничка вага, чаше, хартија за мерење и кашичице. За огледе треба бирати супстанце којима се најмање утиче на животну средину. На техничкој ваги одмерите масу одређене супстанце, а затим на основу масе израчунајте количину супстанце, и обрнуто, за количину супстанце коју вам је задао наставник израчунајте масу те супстанце коју је потребно да одмерите на ваги. Обавезно водите рачуна о правилном вођењу лабораторијског дневника.

Слика 7.6. – Овако су некада изгледале ваге. Биле су механичке и служиле су за прецизна мерења.

130

Слика 7.7. – Савремене аналитичке ваге имају осетљивост и до 0,00001!

ДАТУМ Назив супстанце

НАСЛОВ ОГЛЕДА Релативна молекулска или атомска маса

ЗАПАЖАЊА

131

Одмерена маса

Количина супстанце

VIII. ВОДОНИК, КИСЕОНИК И ЊИХОВА ЈЕДИЊЕЊА. СОЛИ

132

ако је ово последње поглавље у овом уџбенику, оно ће бити ваше прво поглавље сада када сте савладали основе хемијске терминологије и нови почетак вашег изучавања хемије. Као прве елементе које ћемо проучити биће она два која граде можда најважније и најинтересантније једињење на планети Земљи, а то је вода. Који елементи граде воду? Воду граде водоник и кисеоник. Сви они који пију воду можда не знају да се хемијским језиком она пише H2O.

1,00

16,00

ВОДОНИК

6 2

КИСЕОНИК 133

ВОДОНИК Kључне речи водоник биогени елементи праскави гас

Први га је изоловао Парацелзус у 16. веку реакцијом метала и јаке киселине и назвао га „запаљивим ваздухом“. Енглески научник Хенри Кевендиш је 1766. године добио водоник реакцијом цинка и хлороводоничне киселине и дефинисао о ком гасу је реч. Такође је доказао да реакцијом водоника и кисеоника настаје вода, због чега му је 1783. године Антоан Лавоазје дао назив hydrogène, од грчког „онај који ствара воду” (на грчком ϋδωρ – idor значи вода, а γενής – genos значи онај који ствара). Где у природи налазимо водоник? Водоник је најједноставнији хемијски елемент и чини највећи део масе свемира. Он је полазна материја састава звезда у којима нуклеарном фузијом настају остали елементи и притом се ослобађа огромна количина енергије. Међутим, водоник се у звездама углавном налази у атомском стању или у агрегатном стању плазме и има сасвим друкчије особине од молекуларног водоника. У стању плазме, јони водоника производе веома јако електромагнетно зрачење и емитују велику количину топлоте, што Сунцу и другим звездама даје њихов сјај. Електромагнетно зрачење Сунца које потиче од јона водоника у стању плазме назива се сунчев ветар и ми га на Земљи можемо видети на половима као поларну светлост, aурору бореалис. Стање плазме представља јонизован гас због својих јединствених својстава и сматра се посебним агрегатним стањем материје уз чврсто, течно и гасовито стање. Елементарни водоник на Земљи, иако широко распрострањен, налази се у малим количинама због тога што гравитација тешко може да га задржи и он у горњим деловима атмосфере одлази у свемир. Осим у атмосфери, може се наћи и у земним и вулканским гасовима. Као што смо већ поменули, у природи се налазе три водоникова изотопа од којих је 1H најзаступљенији, али се налазе још и деутеријум (2D) и трицијум (3T ), који у својим језгрима имају један протон и један, односно два неутрона. У једињењима га има у великим количинама и то највише са кисеоником у облику воде. Саставни је део једињења живог света, као што су протеини, шећери, масти и уља, па га зато називамо биогени елемент (βίος – bios на грчком значи живот, a γένος – genos значи порекло). 134

Слика 8.1. – Океан са изобиљем водоника у свом саставу

Како можемо добити водоник у хемијској лабораторији? Поновићемо огледе који је урадио Хенри Кевендиш 1766. године. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам елементарни цинк, пластична флаша, раствор хлороводоничне киселине, гумени балон и шпиритусна лампа. У пластичну флашу ставите 5 g цинка и 100 cm 3 рaствoрa хлoрoвoдоничнe киселине. Одмах након додавања, на oтвoр флаше навуците балoн. Kaдa се бaлoн напуни вoдоникoм, вежите га концем и скините са флаше. Други део експеримента препустите наставнику. Балон који у себи садржи гасовити водоник, опрезно принесите на 30 cm од упаљене шпиритусне лампе у водоравном положају и затим пустите малу количину гаса према пламену, водећи рачуна о 135

Слика 8.2. – Илустрација демонстрационог огледа.

безбедности. Своја запажања забележите и објасните хемијским реакцијама. У хемијској реакцији између цинка и хлороводоничне киселине долази до формирања цинк-хлорида и издвајања гасовитог молекула водоника, који се у писању једначине хемијских реакција обележава стрелицом усмереном нагоре.

Zn елементарни цинк

2HCl

хлороводонична киселина

ZnCl2 + цинк-хлорид

молекул водоника

Како водоник реагује са кисеоником Већ знамо да атом водоника није стабилан сам по себи јер има један валентни електрон. Веома брзо се удружује с другим атомом водоника градећи стабилну честицу, молекул чија је формула H2, који испуњава дублетно правило. Електрони у молекулу водоника граде заједнички електронски пар H··H, односно једноструку неполарну ковалентну везу (H–H). Када се смеша водоника и кисеоника запали, долази до експлозије или праска. Наиме, смеша кисеоника и водоника у запреминском односу 1 : 2 се назива праскави гас, јер када се запали водоник сагорева у кисеонику уз прасак и огромну количину енергије. Добија се вода, једно од најважнијих једињења на Земљи. Ова реакција се може сматрати и синтезом једињења воде од једноставних реактаната.

2H2

Слика 8.3. – Немачки дирижабл „Хинден бург” у тренутку експлозије водоника којим је био напуњен

два молекула водоника

молекул кисеоника

2H2O

два молекула воде

572 kJ ослобођена енергија

Где се све водоник може примењивати? Видели смо да је водоник гас без боје и мириса, нерастворан у води. Лакши је од ваздуха и због тога се заједно са хелијумом користио као гориво за прве летелице, као што су балони и дирижабли. Будући да је био пуњен водоником, који је лако запаљив, немачки дирижабл „Хинденбург” се 1937. године запалио, а 35 од 97 путника је изгубило живот. Од тада, водоник и хелијум не користе се више као 136

гориво за дирижбле. Сагоревањем водоника ослобађа се велика количина топлоте, а ова хемијска реакција је корисна управо због тога. Једна од употреба је за топљење метала при њиховом заваривању и топљењу. Енергија која се ослобађа сагоревањем водоника је толико велика да се може користити за лансирање ракета (слика 8.4). Због тога је водоник изврсно гориво. Притом, сагоревањем водоника не настају штетне материје већ само вода. Проблем је у томе што производња водоника захтева велику потрошњу енергије која загађује природну околину, па се условно може сматрати горивом будућности. Говорили смо да је водоник основно гориво Сунца и да се у реакцијама фузије на високим температурама ослобађа енормна количина енергије. Овим реакцијама још увек нисмо овладали, а могуће електране на нуклеарну фузију могле би да реше проблем енергије за целу нашу планету. Водоник је важан биогени елемент. Он се, осим са кисеоником у облику воде која чини велики део свих организама, налази и у једињењима са елементима попут угљеника, азота, фосфора и сумпора. Јони водоника важна су карика у реакцијама фотосинтезе у хлоропластима биљака и претварања сунчеве енергије у шећере и кисеоник.

Слика 8.4. – Лансирање ракете

137

СУНЧЕВА СВЕТЛОСТ ВОДА И МИНЕРАЛНЕ СУПСТАНЦЕ

КИСЕОНИК

хл

ор

УГЉЕН-ДИОКСИД

оф

УГЉЕНИ ХИДРАТИ

ил

ВОДА И МИНЕРАЛНЕ СУПСТАНЦЕ

Слика 8.5. – Заједно са другим елементима, водоник је важна карика у реакцијама фотосинтезе у хлоропластима биљака.

Podsetnik P Водоник је најједноставнији хемијски елемент који се састоји од једног протона и једног електрона. У елементарном стању је у облику двоатомног молекула који је лакши од ваздуха, без боје, мириса, укуса и слабо је растворан у води. У лабораторији се може добити реакцијом неких метала са киселинама. Главно једињење водоника је вода, које се добија његовим сагоревањем у кисеонику уз ослобађање топлоте.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1 Опиши физичка својства водоника. 2. Напиши једначину лабораторијског добијања водоника. 3. Каква је заступљеност водоника у природи? 4. Наведи практичну примену водоника у свакодневном животу. 5. Објасни због чега је хелијум заменио водоник као пуњење балона.

138

КИСЕОНИК – ОКСИДАЦИЈА, САГОРЕВАЊЕ И КОРОЗИЈА

Eнглески хемичар Џозеф Пристли 1771. године и шведско-немачки хемичар Карл Вилхелм Шеле 1774. године, независно један од другог, проучавањем процеса сагоревања открили су кисеоник. Латинско име oxygenium потиче од грчких речи οξυζ – oksis, што значи киселина, и γενοζ – genos, што значи градитељ, тако да га и ми с правом називамо кисеоник.

Kључне речи алотропија алотропска модификација озон оксидација корозија

Где у природи налазимо кисеоник? Можемо га наћи готово свуда, јер је кисеоник и најчешћи и најраспрострањенији елемент на Земљи. У литосфери или Земљиној кори, масени процентни садржај кисеоника је око 50%. Углавном је везан у облику једињења, јер готово сви минерали и стене садрже неко од једињења кисеоника. У атмосфери, масени процентни садржај кисеоника је 23,16% и то у слободном молекулском облику. Иако знамо да је масени процентни садржај кисеоника у води јако висок (а врло лако можемо израчунати и колико), оно што је занимљиво јесте да се и молекули кисеоника делимично растварају у води и тиме омогућавају бујан живот у океанима, морима, језерима и рекама. И на крају, кисеоник је незаменљив биогени елемент свих живих бића на планети Земљи. Како можемо добити кисеоник у хемијској лабораторији? У лабораторији се може врло лако добити из једињења богатих кисеоником, која га релативно лако отпуштају. Један од начина је загревањем калијум-перманганата. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам епрувете, чепови за епрувете са стакленим цевчицама, пнеуматска кадица напуњена дестилованом водом, шпиритусна лампа, троношци и калијум-перманганат (KMnO4). 139

Слика 8.6. – Ужарено палидрвце након што се унесе у атмосферу кисеоника

Слика 8.7. – Реакција добијања кисеоника из калијум-перманганата

У епрувету ставите мало чврстог калијум-перманганата, а затим причврстите епрувету за статив и благо је загревајте пламеном шпиритусне лампе. Након што реакција крене, у епрувету унесите ужарено дрвце и пажљиво посматрајте шта се дешава, а своја запажања забележите и објасните (слика 8.6). У другом делу експеримента саставите апаратуру као на слици 8.7. У епрувету коју загревате поново ставите калијум-перманганат. Елементарни кисеоник можете скупљати тако што ћете га уз помоћ цевчице спровести у пнеуматску кадицу испуњену водом. Кисеоник који се издваја у виду мехурића хватајте испод нивоа воде у епрувете претходно испуњене водом. Било би пожељно да вам наставник најпре демонстрира или помогне у извођењу овог огледа. Испитајте запаљивост ужареним дрвцем и објасните густину кисеоника. Реакција добијања кисеоника из калијум-перманганата се може сматрати реакцијом анализе, јер се од компликованих једињења добијају елементи и једноставни молекули.

2KMnO4 K2MnO4 +

калијум-перманганат

калијум-манганат

MnO2

манган(IV)-оксид

кисеоник

И водоник и кисеоник се такође могу добити електрохемијском реакцијом која се назива електролиза. Електролиза је разлагање хемијског једињења под утицајем електричне струје (слика 8.8). Не треба је мешати са електролитичком дисоцијацијом о којој ће бити речи нешто касније. Осим дестиловане воде, у раствору је потребно додати и електролите који ће омогућити проводљивост електричне струје у самом раствору. Реакција електролизе је такође реакција анализе. Овим процесом се индустријски добијају велике количине ова два гаса. 140

2H2O

Једносмерна струја Електрохемијска реакција

2H2

+ O2

–

Шта је то озон?

–

Полиморфизам је термин који потиче од грчких речи πολυ – poli, што значи много, и μορφία – morfia, што значи облик, и користи се да се опише неки елемент који се јавља у више облика различитих по броју атома у молекулу или структурној формули молекула. Има исто значење као и термин алотропија, с тим што се алoтропија (на грчком άλλος – alos, други и τρόπος – tropos, облик) готово увек користи само за различите молекулске облике елемената. Један од елемената који поседује алотропске модификације је и кисеоник. Наиме, већ знамо да он постоји у облику молекула састављеног од два атома кисеоника, О2. Постоји и облик који се састоји од три атома кисеоника, О3, и који називамо озон. Где можемо наћи озон и чему је користан? Озон се може наћи у атмосфери, али у јако малим количинама и његов максимални удео не прелази 0,001%. Међутим, његова ва жност за живот на Земљи је огромна! Озон у слојевима атмосфере од 20 до 50 km надморске висине спречава штетне ултраљубича сте зраке да дођу до површине Земље. Овај слој озона у атмосфери се назива озонски омотач. Нека од једињења која индустријски производимо, на пример група једињења коју називамо фреони, негативно утичу на озонски омотач. Она изазивају рупе у овом својеврсном штиту и на тај начин узрокују непоправљиве последице по сав живи свет наше планете. Где се све кисеоник може примењивати? Многе индустријске гране се ослањају на кисеоник у својим процесима. Његов главни извор за све процесе је углавном из атмосфере. Ваздух обогаћен кисеоником користи се у медицини за па141

Слика 8.8. – Електролиза воде

цијенте који имају проблема са дисањем, а користе га и рониоци, авијатичари, космонаути, алпинисти, свугде где нема кисеоника за нормално дисање. Користи се такође и за аутогено заваривање и сечење метала, као и за топљење и обраду стакла. Како кисеоник реагује са другим елементима? Као што смо видели у демонстрационим огледима, кисеоник подржава горење и самим тим он је главни реактант у хемијским реакцијама које називамо сагоревање. Разгоревање ужареног дрвцета је последица хемијске реакције кисеоника са састојцима дрвета. Ова реакција нагло ослобађа топлоту и светлост. Још један од примера сагоревања је реакција паљења магнезијумове траке, при чему се дешава сагоревање магнезијума у кисеонику уз ослобађање велике количине топлоте и светлости. Реакциони производ је магнезијум-оксид. Реакције у којима елемент или једињење реагују са елементарним кисеоником називају се реакције оксидације.

Слика 8.9. – Астронаути и рониоци у слободном свемиру односно под водом дишу кисеоник који носе са собом у леђним резервоарима.

2Mg + O2

2MgO

реакција оксидације

магнезијум-оксид

Међутим, нису сви процеси оксидације тако бурни. Понекад, хемијске промене које се дешавају у реакцији елементарног гвожђа и кисеоника нису тако бурне, и овај спори и тихи процес оксидације назива се кородирање, а сам производ реакције корозија. Корозија је процес у ком долази до физичких и хемијских промена

142

не металима и неметалима који су изложени гасовима и течностима. На пример, корозија гвожђа поред кисеоника укључује присуство воде и угљен-диоксида и добија се производ сложеног састава. Један од производа корозије је и гвожђе(III)-оксид, а сам процес оксидације гвожђа до гвожђе(III)-оксида може се приказати једначином ове хемијске реакције:

4Fe

+ 3O2

реакција оксидације

2Fe2O3 гвожђе(III)-оксид

Podsetnik P Кисеоник је хемијски елемент који има редни број 8 у ПСЕ. Може се наћи у две алотропске модификације, као двоатомни кисеоник и као троатомни озон. Његова главна једињења су оксиди.

Слика 8.10. – Сагоревање магнезијумове траке

Слика 8.11. – Резултат оксидације гвожђа

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Опиши физичка својства кисеоника. 2. Како се зову једињења настала у реакцији кисеоника са неким елементом? 3. Каква је заступљеност кисеоника у природи? 4. Наведи практичну примену кисеоника у свакодневном животу. 5. Шта је озон и због чега је користан?

143

ОКСИДИ: ХЕМИЈСКЕ ФОРМУЛЕ, НАЗИВИ И ОСНОВНА СВОЈСТВА Кључне речи оксид оксидација

Реакцију кисеоника са другим хемијским елементима називамо оксидација, а одговарајућа једињења која настају у тој реакцији, односно реакциони производи су оксиди. Како се пишу формуле и називи оксида? Однос броја атома кисеоника и атома елемената који граде оксид последица је валенце елемента и валенце кисеоника. Као што већ знамо, валенца кисеоника у свим једињењима је увек II. Валенце елемената који граде оксиде могу ићи од I до VIII. Према томе, постоји ocaм paзличитих oпштих фopмyлa оксида. Називи оксида се граде тако што се најпре пише назив елемента. Затим се у заградама пише римски број валенце тог елемента и након тога се додаје повлака или цртица иза које следи натпис оксид (табела 7). НАЗИВ ЕЛЕМЕНТА (ВАЛЕНЦА ЕЛЕМЕНТА)-ОКСИД У случају да елемент гради само један познати оксид, валенца хемијског елемента не мора да се наводи. Неки оксиди су од давнина познати и имају називе које су добили на основу њихових својстава. Такве називе зовемо тривијалним, па је тако вода оксид водоника, а калцијум-оксид негашени креч.

Слика 8.13. – Негашени креч је оксид калцијума.

Слика 8.12. – Вода је оксид водоника.

144

Тривијални назив

Пример назива

Валенца елемента Општа формула оксида Назив оксида Пример формуле

145

E(II)-оксид CaO

E(I)-оксид

Na2O

негашени креч

калцијум-оксид

Е2О

натријум-оксид

гвожђе(III)-оксид

Fe2O3

E(III)-оксид

E2O3

III

угљен-диоксид

угљеник(IV)-оксид

CO2

E(IV)-оксид

EO2

фосфор-пентоксид

фосфор(V)-оксид

P2O5

E(V)-оксид

E2O5

сумпор-триоксид

сумпор(VI)-оксид

SO3

E(VI)-оксид

EO3

Табела 7. Опште формуле, називи и примери оксида

OsO4

E(VIII)-оксид

EO4

VIII

осмијум-тетроксид

хлор(VII)- осмијум(VIII)-оксид -оксид

Cl2O7

E(VII)-оксид

E2O7

VII

Која су основна својства оксида? Оксиди су једна од најразноврснијих класа једињења. Сви елементи, осим племенитих гасова, граде оксиде. Ти оксиди могу имати најразличитија својства и структуре. Неки оксиди неметала у контакту са водом формирају киселине и због тога их називамо киселим оксидима или анхидридима киселина (an-hidros на грчком значи без воде). Оксиди метала у води формирају хидроксиде или базе и због тога их називамо базним оксидима или анхидридима база. Такође постоје и амфотерни и неутрални оксиди, чији ће се карактер детаљно обрађивати у осмом разреду.

КИСЕЛИ ОКСИД

CO2 N2O5 SO2 БАЗНИ ОКСИД

Na2O CaO MgO

+ + + +

H2O H2O H2O H2O

+ + + +

H 2O H 2O H2O H 2O

КИСЕЛИНА

H2CO3 2HNO3 H2SO3 ХИДРОКСИД

2NaOH Ca(OH)2 Mg(OH)2

Podsetnik P

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта су оксиди? 2. Напиши формуле датих оксида: а) азот(III)-оксид; б) угљеник(IV)-оксид; в) гвожђе(II)-оксид; г) литијум-оксид. 3. Напиши називе датих оксида: а) N2O; б) HgO; в) ZnO; г) Cl2O7. 4. Напиши једначине оксидације угљеника и сумпора до угљеник(IV)-оксида и сумпор(VI)-оксида. 146

Оксиди су општи назив за једињења која у свом саставу имају атом или атоме кисеоника који граде хемијску везу са атомима другог хемијског елемента. Оксиди имају различита хемијска својства и могу се поделити на киселе, базне, амфотерне и неутралне оксиде.

КИСЕЛИНЕ: ХЕМИЈСКЕ ФОРМУЛЕ, НАЗИВИ И ОСНОВНА СВОЈСТВА Шта су киселине? Како на латинском реч acidus значи кисело, киселине су хемиј ске супстанце чији водени раствори реагују кисело и чине једну од основних категорија хемијских једињења. Састоје се од водоника и киселинског остатка. Како из неметала настају киселине? Већ смо видели да оксидацијом неких неметала настају оксиди, који су анхидриди киселина или кисели оксиди. Али пре него што оксид неметала постане киселина, потребно је да се раствори у води. У реакцији с водом, кисели оксиди граде киселине.

CO2

угљеник(IV)-оксид

+ H2O вода

кисели оксид анхидрид киселине

SO3

сумпор(VI)-оксид кисели оксид анхидрид киселине

H2CO3

угљена киселина кисеонична киселина

H2O

H2SO4

вода

сумпорна киселина кисеонична киселина

Као што смо рекли, киселине су велика група хемијских једињења и, осим киселина које у свом саставу садрже кисеоник и које називамо кисеоничне киселине, постоје и оне које у свом саставу немају кисеоник, због чега их називамо безкисеоничне киселине. Оне се добијају у директној реакцији неметала и молекула водоника.

147

Кључне речи киселине кисеоничне киселине безкисеоничне киселине

Cl2

хлор

2 HCl

водоник

хлороводонична киселина

неметал

S сумпор

безкисеонична киселина

водоник

H2S

сумпороводонична киселина

неметал

безкисеонична киселина

Табела 8. Преглед неметала и њихових киселина са киселинским остацима Валенца I IV III V IV VI II V

Оксид / CO2 N2O3 N2O5 SO2 SO3 / P2O5

Киселина /

угљеник(IV)-оксид азот(III)-оксид азот(V)-оксид сумпор(IV)-оксид сумпор(VI)-оксид / фосфор(V)-оксид

HCl H2CO3 HNO2 HNO3 H2SO3 H2SO4 H2S H3PO4

хлороводонична угљена азотаста азотна сумпораста сумпорна сулфидна фосфорна

Анјони и називи анјона хлоридни Cl 2карбонатни CO3 нитритни NO2 нитратни NO3 2сулфитни SO3 2сулфатни SO4 2сулфидни S 3фосфати PO4

Шта чини киселине киселим? Уколико се киселина раствори у води долази до реакције електролитичке дисоцијације, при чему се добијају позитивно наелектрисни јони водоника и негативно наелектрисани јони киселинског остатка. Електролитичка дисоцијација представља разлагање једињења с јонском или поларном ковалентном везом на јоне у присуству поларних молекула воде. H2O

H2SO4

сумпорна киселина

водоникови јони

SO4

сулфатни јон киселински остатак

H2O

HCl

H+

хлороводонична киселина

водоников јон

Clхлоридни јон киселински остатак

148

НЕМЕТАЛИ О2 ОКСИДИ

Слика 8.14. – Лакмус папир

H2О КИСЕЛИНЕ

Каква су својства киселина? Осим што водени раствори киселина имају карактеристични кисели укус, они имају способност да плави лакмус обоје у црвени, што се користи за доказивање киселина (слика 8.14). Хемијска својства киселина су различита. Угљена киселина која се налази у газираним пићима као што је кисела вода или газирани сок даје тим пићима освежавајући укус. За разлику од ње, хлороводонична киселина је јако корозивна и опасна, а њен разблажени раствор који је познат и као сона киселина користи се за чишћење санитарија од каменца, чишћење метала од рђе и масних запрљања.

Хлороводонична киселина

ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед потребни су вам разни раствори киселина који су вам на располагању (неки од примера су приказани на слици 8.15, дестилована вода, лакмус хартија плаве боје и стаклени штапићи. Детаљно испитајте киселост свих изабраних раствора лакмус хартијом тако што ћете чист стаклени штапић благо уронити у раствор киселине и капљицу раствора са штапића пренети на лакмус хартију. У додиру са капљицом раствора одабране киселине лакмус хартија ће променити боју. Своја запажања забележите у свеску.

Јестива сирћетна киселина

Сумпорна киселина је безбојна течност и један је од састојака аутомобилских акумулатора. Слика 8.15. – Киселине: хлороводонична, сирћетна и сумпорна

149

Podsetnik P Киселине су хемијске супстанце чији водени раствори реагују кисело. Разликујемо кисеоничне киселине и безкисеоничне киселине. Кисеоничне киселине садрже кисеоник и добијају се растварањем киселих оксида у води, а безкисеоничне се добијају директном реакцијом молекула неметала и молекула водоника. Електролитичком дисоцијацијом киселина добијају се катјон водоника и анјон киселинског остатка. Водени раствори киселина боје плаву лакмус хартију у црвену.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта су киселине? 2. Како водени раствори киселина мењају боју лакмус хартије? 3. Допуни једначине хемијских реакција: а) _____ + H2O H3PO4 б) N2O3 + H2O ______ в) ____ + H2 2HBr 4. Напиши једначине електролитичке дисоцијације: а) азотасте киселине; б) сумпорасте киселине; в) фосфорне киселине.

Слика 8.16. – Једно од места где можемо наићи на хлороводоничну киселину је наш желудац у коме се лучи како би поспешила варење хране.

150

ХИДРОКСИДИ (БАЗЕ) Шта су хидроксиди?

На грчком βάση – bazi значи основа или фундамент, по чему су хидроксиди или базе добили име. И то са разлогом јер су, као пандан киселинама, једна од основних категорија хемијских једињења која се углавном састоје од водоника, кисеоника и елемената метала. Како из метала настају базе? Већ знамо да излагањем метала кисеонику долази до хемијске реакције оксидације или корозије. Тако добијени оксиди метала су анхидриди база, које се добијају у реакцији ових базних оксида са водом.

Na2O

натријум-оксид

H2O вода

2NaOH натријум-хидроксид

базни оксид анхидрид база

MgO магнезијум-оксид

база

H2O вода

Mg(OH)2

магнезијум-хидроксид

базни оксид анхидрид база

база

Слично као што је валенца неметала у анхидриду и киселини иста, тако ће и валенца метала у анхидриду хидроксида и хидроксиду бити иста. Шта се догађа када базе растворимо у води? Уколико се база раствори у води, долази до реакције електролитичке дисоцијације слично као код киселина, али се за разлику од њих добијају позитивно наелектрисни катјони метала и негативно наелектрисани хидроксидни aнјони. 151

Кључне речи хидроксиди

H2O

NaOH

натријум-хидроксид

Na+

катјон натријума

OHхидроксидни анјон

H2O

Ca(OH)2

калцијум-хидроксид

Ca2+

катјон калцијума

2OHхидроксидни анјон

Каква су својства база? Базе имају укус који је сличан сапуну. Ово њихово својство не смете испитивати чулима укуса, јер су јако токсични! Зато, уколико желимо да испитамо да ли је неки раствор базан користићемо, на пример, црвену лакмус хартију, која ће у додиру са базним раствором променити боју у плаву. Растворљивост хидроксида у води је различита и док се неки хидроксиди одлично растварају у води, на пример NaOH, други хидроксиди, као што су Ca(OH)2 и Mg(OH)2, растварају се јако слабо. Постоје и они, као што је Fe(OH)3, који се у води уопште не растварају. МЕТАЛИ О2

ОКСИДИ METAЛA

H2О ХИДРОКСИДИ

152

Слика 8.14. – Натријум-хироксид или каустична сода (овде приказан у облику љуспица) је изузетно корозивна супстанца

Podsetnik P Хидроксиди су хемијска једињења која се углавном састоје од атома водоника, кисеоника и метала. Добијају се у реакцији анхидрида база односно металних оксида са водом. Електролитичком дисоцијацијом добијају се катјон метала и хидроксидни анјон. Водени раствори хидроксида боје црвену лакмус хартију у плаву.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта су хидроксиди? 2. Како водени раствори база мењају боју лакмус хартије? 3. Напиши формуле датих хидроксида: а) литијум-хидроксид; б) магнезијум-хидроксид; в) баријум-хидроксид. 4. Напиши једначине електролитичке дисоцијације: а) литијум-хидроксида; б) гвожђе(II)-хидроксида.

153

МЕРА КИСЕЛОСТИ РАСТВОРА – pH СКАЛА

Kључне речи рН скала рН вредност индикатори

Видели смо да киселост или базност неког раствора зависи од тога да ли он садржи растворене катјоне водоника или хидроксидне анјоне. Од чега зависи киселост, базност и неутралност неког раствора? На ово питање постоји врло једноставан одговор. Киселост и базност зависе од количине водоничних, односно хидроксидних јона неког раствора. Како би на прави начин измерио базност и киселост неког раствора, дански хемичар Серен Петер Лавриц Серенсен (слика 8.18) је 1909. године предложио меру за киселост раствора – pH скалу. По овој скали, неутрални раствор има вредност 7. За све вредности које су мање од 7 раствор је кисео, с тим што киселост расте обрнуто сразмерно вредности. Што је количина катјона водоника већа, то раствор има нижу pH вредност па је тако раствор са вредношћу pH = 0 изузетно кисео. Базни су они раствори којима је pH вредност већа од 7 и базност расте управо сразмерно. Што је већи pH, раствор је базнији. Према томе, раствор који има вредност 14 изузетно је базан. Како меримо pH вредност?

Слика 8.18. – Серен Петер Лавриц Серенсен (Søren Peter Lauritz Sørensen), дански хемичар

Арнолд Бекман, професор калифорнијског Tехнолошког универзитета, за потребе компаније која се бавила узгојем лимуна изумео је 1934. године електрохемијски метод за мерење киселости који се базира управо на pH скали. Уређаји који се базирају на електрохемијском одређивању pH скале су pH-метри. Међутим, постоје и одређена једињења која мењају боју у зависности од pH вредности раствора у којима се налазе. Ова једињења називају се индикатори. Већ смо се упознали са плавим и црвеним лакмус хартијама или папирићима, који мењају боју зависно од тога да ли је средина кисела (из плаве у црвену), односно базна (из црвене у плаву). Али, на основу лакмуса не можемо одређивати и степен киселости или базности. Посебна једињења имају могућност да баш на одређеној pH 154

вредности промене боју. Уколико се од више индикатора са различитим вредностима киселости, у којима се дешава промена боје, направи смеша и уколико ту смешу ставимо на папириће, добићемо универзалне индикаторске хартије (слика 8.19). Боје универзалног индикатора ће се, зависно од вредности рН, разликовати и тиме можемо делимично проценити киселост или базност неког раствора.

средство за чишћење водоводних цеви

акумулаторска киселина

стомачна киселина

белило сирће

сапунска вода сок од поморанџе раствор амонијака парадајз

таблета за варење црна кафа сода бикарбона урин морска вода

вода

Слика 8.19. – pH скала приказана у бојама универзалне индикаторске хартије

155

Због чега је познавање киселости или базности важно у свакодневном животу? Уколико сте икада прали судове, уклањали каменац, одмашћивали рерну, чистили сливник или купатило, знате да се неке нечистоће не могу тако лако уклонити. У том случају се користе средства за прање која имају јако високе или јако ниске pH вредности. Када перемо руке користимо сапуне који имају вредности pH = 5,5, јер је управо то нормална киселост наше коже. Наше телесне течности имају различиту киселост, а свака промена pH може указати на неку патолошку промену. Стомачни сок садржи хлороводоничну кисeлину која је битна за варење хране. Уколико садржај киселине постане сувише висок настаје горушицa, која се може сузбити базним једињењима као што су магнезијум-оксид или натријум-бикарбонат. Раствори различитих pH вредности се такође користе за бројне процесе, као што је припрема хране, а свака салата је много укуснија уколико јој се дода мало сирћетне киселине. На крају крајева, киселост јабука битно утиче на њихов укус.

Podsetnik P Киселост и базност зависе од количине водоничних, односно хидроксидних јона неког раствора. pH вредност је мера киселости раствора и њоме се одређује да ли је дати раствор киселог или базног карактера. Обухвата вредности од 0 до 14, где је код киселих раствора pH вредност мања од 7 (pH < 7,0), код базних је већа од 7 (pH > 7,0) док неутралан раствор има pH вредност 7. pH вредност се одређује индикаторима или електрохемијским уређајима.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта је рН вредност? 2. Чему служе киселинско-базни индикатори? 3. Шта одређује киселост или базност неке средине? 4. Супстанце датих рН вредности: 1, 9, 11, 13, 5, 8 разврстај на киселе и базне. 156

ЛАБОРАТОРИЈСКА ВЕЖБА X Испитивање киселинско-базних својстава раствора помоћу индикатора Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребне различите киселине и базе које су вам доступне у складу с могућностима, чаше, лакмус хартије, стаклени штапићи и универзални индикатори. Детаљно испитајте киселинско-базна својства одабраних раствора киселина и база тако што ћете чист стаклени штапић благо уронити у раствор киселине или базе, азатим капљицу раствора са врха штапића пренети на лакмус хартију. У додиру са капљицом раствора одабране киселине лакмус хартија ће променити боју. Такође проверите и киселинско-базна својства неутралних раствора лакмус хартијом. Своја запажања запишите и објасните. Слика 8.20. – Испитивање киселинско-базних својстава раствора

кисело

неутрално

свеж сок од црвеног купуса

157

базно

СОЛИ – ФОРМУЛЕ И НАЗИВИ Научили смо да елементи граде једињења која имају различит састав и различита физичка и хемијска својства. До сада смо учили о оксидима, киселинама и хидроксидима. Шта су соли? Kључне речи соли киселински остатак реакција неутрализације

Сигурно сте чули за кухињску со, мермер, кречњак, гипс, плави камен, шалитру или соду бикарбону. Све набројане супстанце припадају групи једињења које називамо соли. Со је хемијско једињење које садржи катјон хидроксида (базе) и анјон киселинског остатка, који су међусобно повезани јонским везама. Шта ће се догодити када помешамо киселину и базу? Хајде да то проверимо једним огледом. ДЕМОНСТРАЦИОНИ ОГЛЕД

Слика 8.21. – Раствор добијен неутрализацијом проводи електричну струју

Током извођења огледа обавезно носите заштитне рукавице и наочаре. Уколико немате прописну заштиту, извођење огледа препустите наставнику. За овај оглед су вам потребни дестилована вода, хлороводонична киселина (1 : 11), 4 %-ни раствор натријум-хидроксида (4 g NaOH у 96 g воде), индикаторска хартија, епрувете, чаше, прибор за испитивање проводљивости. Сипајте по 2 cm3 дестиловане воде, раствора хлороводоничне киселине и раствора натријум-хидроксида редом у три епрувете, а у четврту епрувету сипајте идентичне запремине раствора хлороводоничне киселине и натријум-хидроксида, по 2 cm3. Испитајте киселост и базност ових раствора индикаторском хартијом, забележите промене и објасните их. Такође испитајте и проводљивост сва четири раствора и обја сните разлике. Мешањем раствора киселине и базе, боја индикаторске хартије иста је као и у дестилованој води. Показали смо да ако се помешају хлороводонична киселина и раствор натријум-хидроксида долази до хемијске реакције након које нови раствор нема ни кисела ни базна својства. 158

NaOH

HCl

NaCl

натријум-хидроксид

хлороводонична киселина

натријум-хлорид

база

киселина

со

+ H2O вода

У реакцији између хлороводоничне киселине и натријум-хидроксида настали су со, натријум-хлорид и вода. Ова реакција се назива реакција неутрализације, јер нови раствор нема ни вишак водоникових ни хидроксидних јона, па је зато неутралан. Како се пишу формуле соли? Најважније је да знамо валенце и наелектрисање свих јона, односно елемената који изграђују соли. На основу тога са лакоћом можемо писати њихове формуле.

Слика 8.22. - Сода бикарбона

Валенца Јон киселинског киселинског остатка остатка

Назив киселине

Формула киселине

хлороводонична (хлоридна) киселина

HCl

угљена (карбонатна) киселина

H2CO3

CO-3

азотаста (нитритна) киселина

HNO2

азотна (нитратна) киселина сумпораста (сулфитна) киселина

Назив соли

ХЛОРИД

КАРБОНАТ

NO2

НИТРИТ

HNO3

NO3-

НИТРАТ

H2SO3

SO3

СУЛФИТ

СУЛФАТ

III

ФОСФАТ

сумпорна (сулфатна) киселина

H2SO4

SO4

фосфорна (фосфатна) киселина

H3PO4

PO4

Слика 8.23. – Различите врсте соли

магнезијум-хлорид

159

Плави камен – бакар(II)-сулфат пентахидрат CuSO4 x 5H2O

Један од главних састојака прашка за пециво је сода-бикарбона NaHCO3.

Написати формуле соли које се састоје од: а) катјона двовалентног гвожђа и хлоридног анјона II

FeCl налажењем НЗС и сређивањем добијамо FeCl2; б) катјона натријума и сулфатног анјона I

NaSO4 налажењем НЗС и сређивањем добијамо Na2SO4;

в) катјона алуминијума и нитратног анјона III

Al NO3

налажењем НЗС и сређивањем добијамо

Al (NO3)3.

Како се именују соли? При именовању соли прво пишемо назив катјона, а затим назив анјона. Уколико метал нема сталну валенцу, поред назива катјона у загради пишемо његову валенцу. FeCl2 – гвожђе(II)-хлорид Na2SO4 – натријум-сулфат Al (NO3)3 – алуминијум-нитрат Неке соли су људима познате од давнина, тако да многе имају и несистемске односно тривијалне називе. Ево неколико примера.

Табела 9. Називи и формуле соли које се примењују у свакодневном животу Уобичајени називи соли

Хемијски назив соли

Хемијска формула

кухињска со

натријум-хлорид

мермер, кречњак

калцијум-карбонат

чилска шалитра

натријум-нитрат

сода

натријум-карбонат

сода бикарбона

натријум-хидрогенкарбонат

NaCl CaCO3 NaNO3 Na2CO3 NaHCO3

Каква су физичка и хемијска својства соли? Иако соли представљају веома велику групу једињења која имају различит састав, оне имају доста заједничких физичких и хемијских својстава. На собној температури соли су готово увек као и друга јонска једињења у чврстом агрегатном стању, имају јонске кристалне решетке и високе температуре топљења. Многе соли су растворљиве у води, а њихови раствори проводе струју, као што смо видели и кроз оглед. Водени раствори соли као што су натријум-хлорид проводе електричну струју тако што се, у овом случају наелектрисане честице – јони, крећу кроз раствор. Због тога те супстанце називамо електорилитима. Дестилована вода сама по себи не проводи електричну струју и називамо је неелектролит.

Podsetnik

Неутрализација је хемијска реакција између киселине и базе у којој се добијају со и вода. Соли су јонска једињења састављена од позитивно наелектрисаних катјона и негативно наелектрисаних анјона. Представљају велику групу једињења која имају различит састав, али и доста заједничких физичких и хемијских својстава, као што су јонска кристална решетка, високе температуре топљења и добра ратворљивост у води и другим поларним растварачима. Њихови водени раствори проводе струју и зато их називамо и електролитима.

ПИТАЊА И ЗАДАЦИ 1. Шта су соли? 2. На основу датих формула напиши називе соли: а) Li2SO4; б) Na2CO3; в) FeCl3; г) AgCl. 3. Напиши формуле датих соли: а) сребро-нитрат; б) бакар(II)-нитрат; в) гвожђе(III)-сулфат; г) калијум-фосфат. 161

РЕЧНИК

162

РЕЧНИК ОСНОВНИХ ХЕМИЈСКИХ ПОЈМОВА

А Анализа – реакција растављања сложене чисте супстанце на две или више чистих суптанци. Анјони – негативно наелектрисани јони. Атомски број елемента (Z) – број протона у језгру. Како број протона у језгру одговара редоследу елемената у Периодном систему, тако се овај број назива и редни број. В Валенца – број атома водоника који се може везати за атом одређеног елемента. Валенца је увек цео број, обележава се римским бројем и може имати вредноси од I до VIII. Вредност валенце одређеног елемента зависи од броја електрона тог елемента који учествују у стварању хемијске везе. Д Декантовање – грубо одвајање састојака хетерогене смеше. Приликом декантовања одваја се течност од чврсте супстанце, а често се назива и одливање. Дестилација – поступак одвајања састојака смеше на основу њихових различитих температура кључања. Де стилацијом се могу одвојити састојци раствора код којих је растварач течног, а растворена супстанца чврстог агрегатног стања. Раствори који су смеше две или више течних супстанци с различитим температурама кључања такође се могу раздвојити, а тај процес се назива фракциона дестилација.

Е Електронски омотач атома – про стор у ком се крећу електрони око језгра у атому. Електронски омотач је подељен на седам енергетских нивоа, зависно од удаљености од језгра атома. Елемент – чиста супстанца која се хемијском реакцијом не може раздвојити на једноставније супстанце. Сви атоми једног елемента имају исти атомски или редни број и сваки елемент се одликује карактеристичним хемијским својствима. З Закон одржања масе – експериментално утврђена чињеница да је маса реактаната једнака маси производа хемијске реакције. Закон сталних масених односа (Прустов закон) – експериментално утврђена чињеница да се елементи међусобно једине у одређеним и сталним масеним односима када дају исто једињење. И Изотопи – атоми истог елемента који се међусобно разликују по броју неутрона у језгру. Изотопи имају исти атомски, а различит масени број. Ј Једначине хемијских реакција – скраћени прикази хемијских реакција, при чему се реактанти у хемијској реакцији пишу с леве, а производи с десне стране једначине.

163

Уместо знака једнакости, који се користи у математичким једначинама, у једначинама хемијских реакција се користи стрелица, која илуструје смер одигравања хемијске промене. Једначине хемијских реакција имају како квалитативно, тако и квантитативно значење. Језгро – средиште атома које чине нуклеони. Основни нуклеони су протони (p + ), који су позитивно наелектрисани, и неутрони (n0), који се електронеутрални. Само језгро је укупно позитивно наелектрисано. Једињење – чиста хемијска супстанца која се састоји од два хемијска елемента с јединственом и дефинисаном хемијском структуром или од више таквих елемената. Јонска веза – тип хемијске везе која се огледа у електростатичком привлачењу позитивно наелектрисаног катјона и негативно наелектрисаног анјона. К Катјони – позитивно наелектрисани јони. Ковалентна веза – тип хемијске везе између атома неметала која се остварује преко заједничких електронских парова. Кристализација – процес уређивања честица у геометријски правилне структуре које се називају кристали. Може се користити као поступак за одвајање састојака смеше. М Масени број (А) – број нуклеона у језгру неког атома. Једнак је збиру протона и неутрона и увек је цео број. Масени удео супстанце у раствору – однос масе растворене супстанце и укупне масе раствора. Обично се обележава грчким словом ω.

164

Материја – збирни назив за све супстанце које имају масу и заузимају простор. Моларна маса – маса једног мола хемијског елемента, која бројчано одговара релативној атомској маси, или маса једног мола хемијског једињења која одговара релативној молекулској маси тог једињења. Мерна јединица је g/mol. Молекул – стабилна целина атома повезаних ковалентном везом. П Периодни закон – периодична зависнос т хе м ијских и физичких својстава елемената и њихових атомских бројева. Периодни систем елемената – табеларна организација хемијских елемената на основу њиховог атомског броја, електронске конфигурације и физичких и хемијских својстава. Хоризонтални редови се називају периоде, има их седам и обележавају се арапским бројевима и латиничним словима K, L, M, N, O, P, Q. Усправни редови називају се групе, има их 18 и обележавају се арапским бројевима. Р Раствор – хемијски стабилне хомогене смеше које се састоје од две или више супстанци, од којих је једна супстанца растварач, а остале се називају растворене супстанце. Растворљивост – маса супстанце која се на одређеној температури може растворити у 100 g растварача. Реактант – супстанца која подлеже хемијској промени у хемијској реакцији. Реакциони производ – супстанца која настаје након хемијске промене у хемијској реакцији. Релативна атомска маса (Ar) – количник масе атома и унифициране

јединице атомске масе. Релативна атомска маса нема јединицу. Релативна молекулска маса – збир релативних атомских маса које изграђују дати молекул. Такође се може изразити и као количник масе молекула и унифициране атомске јединице масе. Синтеза – хемијска реакција у којој долази до стварања нове чисте супстанце од две или више чистих супстанци. Смеша – скуп две или више супстанци. Супстанца – облик постојања материје од које су изграђена физичка тела. Разликује се по својим физичким и хемијским својствима и изграђена је од честица. У Унифицирана атомска јединица масе – јединица за масу која се користи како би се изразиле релативне атомске и молекулске масе. Представља се као 1/12 масе атома изотопа угљеника C12. Ф Физичка промена – промене које утичу на облик хемијске супстанце, али не и на њен хемијски састав. Могу се користити за раздвајање смеша, али се не могу користити за

раздвајање једињења на хемијске елементе или једнос тавнија једињења. Неке од физичких промена су промена агрегатног стања, механичко уситњавање, растварање. Х Хемија – природна, експерименталн а н ау к а кој а п р оу ч а в а гр ађ у, својства и промене материје. Хемијска веза – трајна привлачност између атома, јона или молекула која омогућава стварање хемијских једињења. Може се огледати у електростатичком привлачењу између супротно наелектрисаних јона (јонска веза) или заједничким електронским паровима атома (ковалентна веза). Хемијске промене – промене у којима се од једне или више супстанци (реактаната у хемијској реакцији) добијају једна или више нових супстанци (производа хемијске реакције). Хемијске формуле – начин представљања састава одређеног хемијског једињења или молекула коришће њем симбола хемијских елемената (квалитатино значење), бројева (квантитативно значење), а понекад и других симбола као што су заграде, цртице, знаци плус (+) и минус (–).

165

166

ПРОЈЕКТНИ ЗАДАЦИ ПОВЕЗАНОСТ ХЕМИЈЕ СА ДРУГИМ НАУКАМА Анкетирати особе различитог узраста о томе са којим наукама је хемија повезана и где све има примену. Предлог је да ученици овај задатак раде у групама. После завршене анкете обрађене податке представници група презентују пред одељењем. Укратко препричај презентацију групе са којом си прикупљао податке.

ТУМАЧЕЊЕ ОЗНАКА НА АМБАЛАЖАМА ПРОИЗВОДА КУЋНЕ ХЕМИЈЕ И ПРОИЗВОДА ЗА ЛИЧНУ ХИГИЈЕНУ Потражити на производима кућне хемије и производима за личну хигијену ознаке упозорења (пиктограме) и објаснити њихово значење (значење пиктограма се може пронаћи у уџбенику, на страни 26). Овај задатак ученици могу да раде самостално или у групи а циљ је да уоче да неправилна употреба ових производа може бити опасна.

ПРАВИЛА ПОНАШАЊА У ХЕМИЈСКОЈ ЛАБОРАТОРИЈИ Користећи текст из уџбеника, фотографије и цртеже, направити пано на ком ће бити представљена правила понашања и мере опреза у лабораторији. Сликај свој пано или га опиши.

167

ХРОМАТОГРАФИЈА НА ПАПИРУ Исећи убрус на траке правоугаоног облика и фломастерима различитих боја написати нешто по њима. Доњи крај траке уронити у чинију са водом, траку држати усправно и посматрати шта се дешава. Објасни своја запажања.

МОДЕЛИ АТОМА На папиру или картону шестаром нацртати концентричне кругове који ће представљати језгро и електронски омотач атома. Од колаж- -папира различитих боја (за сваку субатомску честицу користимо другу боју) исецкати кружиће који представљају протоне, неутроне и електроне које ћеш залепити на одговарајуће место у језгру или омотачу и на тај начин направити моделе различитих атома (уместо колаж-папира могу се користити и различите житарице: пшеница, кукуруз, хељда, пиринач или различите врсте пасуља). Залепи фотографију модела или их опиши.

МОДЕЛИ МОЛЕКУЛА Користећи пластелин (или лоптице од стиропора различитих величина и боја) и чачкалице направити моделе молекула водећи рачуна о разлици у величини појединих атома и јона. (као помоћ за израду овог задатка може се користити табела 3 на страни 67 уџбеника). Залепи фотографију модела или их опиши.

Саша Ватић Биљана Алавуковић ХЕМИЈА, уџбеник за седми разред основне школе

Издавач ЗАВОД ЗА УЏБЕНИКЕ, Београд, Обилићев венац 5 www.zavod.co.rs Ликовни уредник мр Тијана Павлов Корица мр Тијана Павлов Графички уредник Александар Радовановић Дизајн и прелом Александар Радовановић Лектура Завод за уџбенике Фотографије: Depositphotos Wikipedia Коректор Гордана Илић Обим: 21½ штампарски табак Формат: 20,5 Х 26,5 cm

169

CIP Каталогизација у публикацији Народна библиотека Србије

170